Java 线程模型与线程调度

JAVA线程模型

线程的实现主要有3种方式：

使用内核线程实现（1:1）
使用用户线程实现（1:N）
使用用户线程加轻量级进程实现（N:M）

使用内核线程实现（Kernel-Level Thread, KLT）（1:1）

内核线程就是直接由操作系统内核支持的线程，这种线程由内核来完成线程的切换，内核通过操作调度器对线程进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上。

程序一般不会直接去使用内核，而是去使用线程的一种高级接口——轻量级进程（Light Weight Process，LWP），轻量级进程就是我们通常意义上的线程，由于每个轻量级进程都是由一个内核线程支持的，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。这种轻量级进程与内核线程直接1：1的关系称为一对一线程模型。

优点：实现简单

缺点：

线程的各种操作都需要系统调度，需要在用户态和内核态中来回切换，系统调用的代价相对较高；
其次，每个轻量级继承都需要一个内核线程来支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源，一个系统支持的轻量级进程数量有限，如果系统出现大量线程，会对系统性能有影响；

使用用户线程实现（1:N）

广义上来说，一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程（User Thread，UT），从这个角度来看，轻量级进程也就是用户线程，但是轻量级进程始终是和内核线程有关系的，效率终究会受到限制。

狭义上来说，用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到线程存在的实现。用户线程的建立、同步、调度和销毁完全在用户态完成，不需要内核的帮助。这种线程不需要切换到内核态，所以可以是非常快速且低消耗的，也可以支持更大规模的线程数量。这种进程与用户线程之间1：N的关系称为一对多线程模型。

优点：

不需要系统内核线程的支持，用户线程的很多操作对内核来说都是透明的，不需要用户态和内核态的频繁切换，使线程的创建、调度、同步等非常快；

缺点：

需要用户程序自己处理线程的所有操作，JAVA曾经使用过用户线程，最终放弃使用。
由于多个用户线程对应到同一个内核线程，如果其中一个用户线程阻塞，那么该其他用户线程也无法执行；
内核并不知道用户态有哪些线程，无法像内核线程一样实现较完整的调度、优先级等；

使用用户线程加轻量级进程实现 N:M）

将内核线程与用户线程一起使用的组合方式，为N：M的关系，这种就是多对多线程模型。

优点：

兼具多对一模型的轻量；
由于对应了多个内核线程，则一个用户线程阻塞时，其他用户线程仍然可以执行；
由于对应了多个内核线程，则可以实现较完整的调度、优先级等；

缺点：

实现复杂

Go语言中的goroutine调度器就是采用的这种实现方案

JAVA线程的实现

在JDK1.2之前，JAVA线程是基于称为“绿色线程（Green Thread）”的用户线程来实现的，而在JDK1.2中，线程模型替换为基于操作系统原生线程模型来实现的。

在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，很大程度上决定了JAVA虚拟机的线程是怎样映射的，在不同的平台上实现可能是不一样的，线程模型只对线程的并发规模和操作成本产生影响，对JAVA程序的编码和运行过程来说，差异都是透明的。

对于Sun JDK 来说，它的Windows版本和 Linux 版本都是使用的一对一线程模型来实现的，即一条线程就映射到一条轻量级进程中，因为 Windows 系统和 Linux 系统提供的线程模型都是一对一的。

JAVA线程调度

线程调度是说系统为线程分配处理器使用权的过程。主要的调度方式有两种：

协同式线程调度

线程的执行时间是由线程本身控制的，线程工作执行完成之后，需要主动通知系统切换到另一个线程上。Lua 语言中的“协同例程”就是这类实现。

好处：实现简单

缺点：线程执行时间不可控，可能会一直阻塞，导致系统崩溃
抢占式线程调度

每个线程由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定（在JAVA中，Thread.yield() 可以主动让出CPU使用权，但要获取，线程本身是没有任何办法的）

优点：线程的执行时间系统可控，不会有一个线程阻塞而导致整个进程阻塞

JAVA 使用的是抢占式调度方式

JAVA线程状态

JAVA 定义了5种线程状态，在任意一个时间点上，线程有且只能有一个状态；5个状态分别如下：

新建（New）创建后尚未启动的线程所处的状态
运行（Runable） Runable 包括了操作系统线程状态的Running 和 Ready，也就是处于此状态的 JAVA 线程可能正在运行，也有可能正在等待分配CPU时间片
无限期等待（Waiting）处于这种状态的线程不会被分配CPU 时间片，需要等待被其他线程显式地唤醒。以下方法会让线程进入到无限期等待：- 调用没有设置 timeout 参数的 Object.wait() 方法 - 调用没有设置 timeout 参数的 Thread.join() 方法 - 调用LockSuport.park() 方法
有限期等待（Timed Waiting）处于这种状态的线程也不会被分配CPU 时间片，但是不需要其他线程显式地唤醒，而是等待一定时间后会由系统自动唤醒以下方法会让线程进入到有限期等待：- Thread.sleep() 方法 - 调用设置了 timeout 参数的 Object.wait() 方法 - 调用设置了 timeout 参数的 Thread.join() 方法 - 调用LockSuport.parkNanos(long nanos) 方法 - 调用LockSuport.parkUntil(long deadline) 方法
阻塞（Blocked）线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是: 阻塞状态在等待获取一个排它锁；等待状态则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在使用了 synchronized 等同步语句时会进入这种状态。
结束（Terminated）终止线程的线程状态，线程已完成执行。

Java 线程模型与线程调度