Java线程模型

定义

线程是操作系统的最小调度单位，包含于进程。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程可以并行执行不同的任务。

与进程的不同

1. 进程是操作系统资源分配的最小单位，线程是操作系统执行的最小单位；
2. 进程包含线程，一个进程可以包含多个线程，同一个进程中的不同线程共享同一资源（此处会引发另一个问题，线程不可见问题）；
3. 进程是指一段程序的执行过程，线程指的是进程中一个单一顺序的控制流（任务）；

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线程分类

线程主要分为两种

• 内核线程，简称KLT(Kernel Level Thread)
• 用户线程，简称ULT(User Level Thread)

内核线程

系统内核管理线程，内核保存线程的状态和上下文，线程阻塞不会引起进程阻塞。在多处理器上，多线程在多处理器上并行运行。线程的创建、调度和管理等生命周期是由内核直接管理完成，效率比ULT要低，比进程要高。

内核线程

1. 内核空间会维护[进程表]和[线程表]。
2. 进程表中维护并管理进程[运行的程序代码]集合。
3. 线程维护并管理各个进程中的线程集合。
4. 线程阻塞，其所在的进程不会阻塞。
5. 内核线程和轻量级进程(Light Weight Process,LWP,是使用内核线程的一种高级接口)是一对一模型，这个文章后面会有介绍。

优缺点

• 优点：可以将复杂的线程生命周期的管理任务交给操作系统，编程和实现简单；线程维护在操作系统内核，线程阻塞不会阻塞进程；如果机器是多核处理器，内核线程可以充分利用多核处理器进行并行运行线程。
• 缺点：当线程进行调度、创建等，会涉及到用户态和内核态之间的转化以及线程上下文的切换，资源消耗大、效率较低。

用户线程

用户程序实现，不依赖操作系统内核，应用提供创建、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/核心态切换，速度高、效率高。内核对ULT无感知，线程阻塞则进程（包含它的所有线程）阻塞。

用户线程

1. 内核空间会维护[进程表]
2. 进程表中记录进程[运行的程序代码]集合。
3. 线程阻塞，其所在的进程也会阻塞。
4. 操作系统内核无法感知用户线程，对于线程的创建、调度、撤销等无感知。

优缺点

• 优点：由于操作系统内核无法感知用户线程，对于线程的创建、调度、撤销等无感知。所以当线程进行调度、创建等，不会涉及到用户态和内核态之间的转化以及线程上下文的切换，资源消耗小、效率较高。
• 缺点：需要维护复杂的线程生命周期，编程和实现复杂；线程维护在进程中，内核无感知，线程阻塞会阻塞整个进程（包含整个进程的其他线程）；用户线程不能充分利用多核处理器进行并行运行线程，只能在单个核中运行。

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线程模型

线程模型主要分为三种

• 一对一模型
• 多对一模型
• 多对多模型

一对一模型

一对一模型 简易

一对一模型 简易

1. 用户空间的一个线程(应用程序的线程概念)对应内核的一个线程，1:1。
2. 用户空间的线程通过LWP(属于用户空间)对内核线程进行创建、销毁等操作。
3. 由于每个线程的创建、调度、销毁都需要内核的支持，每次线程的创建、切换都会设计用户状态/内核状态的切换，性能开销比较大，并且单个进程能够创建的LWP的数量是有限。
4. 能够充分里用多核的优势。

一对一模型

一对一模型

1. 用户进程可以创建多个(有限个)LWP对内核线程进行管理(包含创建、销毁等生命周期的方法)，本质上还是操作系统进行的管理。
2. KLT是实际的计算运行的线程，在内核空间，由操作系统内核进行管理维护(创建、调度、销毁等)。
3. 严格意义上，LWP是属于操作系统层面的

一对一模型 详细

一对一模型 详细

1. JVM进程中通过new Thread(Runnable/Callable)创建Java层面的线程。
2. Java线程通过库调度器调用LWP的接口创建、销毁内核线程等。
3. 内核线程是由操作系统内核进行管理维护。

注：About LWP

1. 其实LWP(轻量级进程)是操作系统提供的操作内核线程的入口(接口)，属于中间层。
2. 在Linux操作系统中，往往都是通过fork函数创建一个子进程来代表内核中的线程，在fork完一个子进程后，还需要将父进程中大部分的上下文信息复制到子进程中，消耗大量cpu时间用来初始化内存空间，产生大量冗余数据。为了避免上述情况，轻量级进程(Light Weight Process, LWP)便出现了，其使用clone系统调用创建子进程，过程中只将部分父进程数据进行复制，没有被复制的资源可以通过指针进行数据共享，这样一来LWP的运行单元更小、运行速度更快。
3. LWP与内核线程一一映射，每个LWP都由一个内核线程支持
4. LWP可以被普通进程创建，有父子进程的关系。

多对一模型

多对一模型 简易

多对一模型 简易

1. 一个内核线程可以对应多个用户线程，即跟用户线程相匹配。
2. 用户线程的创建、调度、销毁不需要内核的支持，所以也就不涉及上下文切换的资源损耗，效率通常较高。
3. 但是内核无法感知到用户线程（只能感知到用户空间的进程），所以当一个进程中的一个线程阻塞，将会导致整个进程都阻塞。
4. 由于内核感知的是应用进程，所以进程中的多线程只能是运行在单个运算核上，无法充分利用计算性能并行计算，当然如果机器是单核就另当别论了；

多对一模型

多对一模型

1. 此时内核直接管理进程，所有的资源类操作都是通过进程进行代为转发与内核进行通信，所谓的一直对外？

多对多模型

多对多模型 简易

多对多模型 简易

1. 这个模型其实就是一个混合的线程模型。
2. LWP和内核是1:1对应关系(LWP需要内核的支持才能工作，fork等函数)。
3. 用户线程和LWP是n:1(n>0)对应关系。
4. 由于用户进程和LWP(可以理解为内核线程)是n:m的关系，所以即解决了1:1模型中性能开销及线程数量的问题，也解决了N:1模型中阻塞问题，同时也能充分利用CPU的多核优势。

多对多模型

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多对多模型

1.此模型是大部分协程实现的基础。