《深入理解Java虚拟机》（三）--Java内存模型与线程（3）

Java与线程

并发并不一定要依赖多线程（比如PHP中很常见的多进程并发），但是Java里面谈论到并发，大多与线程脱不开关系。

1/1 线程的实现

主流操作系统都提供了线程实现，Java语言则提供了在不同硬件和操作系统平台下对线程操作的统一处理，每个已经执行start（）且还未结束的java.lang.Thread类的实例就代表了一个线程，Thread类与大部分API有明显的差异，它的所有关键方法都是声明Native的，一个Native方法意味着这个方法是使用非Java语言来实现的。线程实现的主要方式有三种：使用内核线程实现，使用用户线程实现和使用用户线程加轻量级进程混合实现。

• 1.使用内核线程实现：内核线程就是直接由操作系统内核（Kernel）支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过调度器（Thread Scheduler）对线程进行调度，程序一般不会直接取使用内核线程，而是取使用内核线程的一种高级接口-----轻量级进程（LWP），轻量级进程就是我们通常意义上所说的线程，这种轻量级进程与内核之间1:1的关系成为1对1线程模型，如下图所示
  

  轻量级进程与内核线程之间1:1的关系
  
  优点：由于内核程序的支持，每个轻量级进程都成为了一个独立的调度单元，即使有一个轻量级进程发生了阻塞，也不会影响整个进程继续工作。
  缺点：由于是基于内核线程实现的，所以各种线程操作（如创建，析构和同步）都需要进行系统调用，调用的代价相对较高，需要在用户状态和内核状态来回切换，而且每个轻量级线程都需要内核进程的支持，因此一个系统支持轻量进程的个数是有限的。

• 2.使用用户线程实现
  用户线程是指完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知线程存在。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要内核的帮助。这种进程与用户线程之间1：N的关系称为1对多线程模型，如下图所示。
  

  进程与用户线程之间1：N的关系
  
  优点：这种线程不需要切换到内核态，因此操作可以是非常快速而且低消耗的，也可以支持更大的线程数量，部分高性能数据库的多线程就是由用户线程实现。
  缺点：由于没有系统内核的支援，所有线程操作都是由用户程序自己处理，处理起来过于复杂，Java已经放弃使用它。

• 3.使用用户线程加轻量级进程混合实现
  除了上述两种实现外，还有一种将内核线程与用户线程一起使用的实现方式。这种混合方式下，既存在用户线程也存在轻量级进程，用户线程与轻量级线程的数量比是不确定的，即为N:M的关系，如下图所示，这种就是多对多线程模式（让我想起了Mysql数据库的关系模式....）。
  

  用户线程与轻量级线程之间N：M的关系
  
  优点：用户线程完全建立在用户空间中，因此用户线程的创建、析构、切换等操作依然廉价，并且可以支持大规模的用户并发，书中并没有详细写出它的缺点0.0。

java线程的实现

在JDK1.2之后，线程模式为基于操作系统原生的线程模型来实现，线程模型只对并发规模和操作成本产生影响，对Java程序的编码和运行来说没有影响。Windows和Linux提供的线程模型为1对1，Solaris（Unix系列的操作系统）同时支持1对1和多对多，因此Solaris版的JDK中也对应提供了两个平台专有的虚拟机参数：-XX:+UseLWPSynchronization（默认值）和-XX:UseBoundThreads来明确指定虚拟机使用哪种线程模式。

1/2 Java线程调度

线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程。主要调度方法有两种，分别是协同式线程调度，和抢占式线程调度。

• 协同式线程调度：线程的执行时间由线程本身来控制，执行完成后，主动通知系统切换到另外一个线程上。
  优点：实现简单，切换操作对线程自己来说是可知的，所以不会产生线程同步的问题。
  缺点：线程执行时间不可控制，可能由于程序编写问题一直不告知系统进行线程切换，那么程序就会一直阻塞在那里，相当不稳定。
• 抢占式线程调度：每个线程将由系统来分配时间，线程的切换不由线程本身来控制。
  优点：不会因为一个线程而导致整个系统的阻塞，Java使用的线程调度方式就是抢占式调度（JDK后续版本可能会提供协成方式来进行多任务处理）。
  缺点：需要处理线程安全的问题。

1/3 状态转换

Java语言定义了5种线程状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且只有一种状态。这5种状态如下：

• 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态。
• 运行（Runnble）：包括了操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可能正在执行，也可能在等待CPU为他分配执行时间。
• 无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，他们要等待被其他线程唤醒，以下方法可以让线程进入无限期等待。
  • 没有设置Timeout参数的Object.wait（）方法。
  • 没有设置Timeout参数的Thread.join（）方法。
  • LockSuppot.park（）方法。
• 限期等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被CPU分配执行时间，不过无需等待被其他线程唤醒，在一定时间后他们会由系统自动唤醒，以下方法会让线程进入限期等待状态。
  • Thread.sleep（）方法。
  • 设置了Timeout参数的Object.wait（）方法。
  • 设置了Timeout参数的Thread.join（）方法。
  • LockSuppot.parkNanos（）方法。
  • LockSuppot.parkUntil（）方法。
• 阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，阻塞状态等待着获取到一个排他锁，这个时间将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。
• 结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。

上述5种状态在遇到特定事件的时候可以相互转换，它们的转换关系如下图所示。

线程状态转换关系