线程的实现方式

本文主要介绍线程的3种实现方式和java线程的实现方式。线程是比进程更轻量级的调度执行单位,线程的引入,可以把一个进程的资源分配 和执行调度分开,各个进程既可以共享进程资源(内存地址、文件I/O等),又可以独立调度(线程是cpu调度的基本单位)。

一、线程的三种实现方式

本小节介绍操作系统实现线程的三种方式: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(KLT,Kernel-Level Thread),直接由操作系统内核(Kernel,即内核)支持的线程。由内核来完成线程切换,内核通过操纵调度器(Scheduler)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。 每个内核线程可以视为内核的一个分身,这样操作系统就有能力同时处理多件事情,支持多线程的内核叫做多线程内核(Multi-Threads Kernel)。 程序一般不会去直接使用内核线程,而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程(Light Weight Process,LWP),即通常意义上的线程。由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持,因此只有先支持内核线程,才能有轻量级进程。轻量级进程与内核线程之间1:1关系称为一对一的线程模型。

优点

内核线程保证了每个轻量级进程都成为一个独立的调度单元,即使有一个轻量级进程在系统调用中阻塞了,也不会影响整个进程的继续工作。

缺点

  1. 基于内核线程实现,因此各线程操作等需要系统调用,系统调用代价高,需要在用户态和内核态来回切换。
  2. 每个轻量级进程都需要一个内核线程的支持,因此轻量级进程要消耗一定的内核资源,如内核线程的栈空间,因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。

2. 使用用户线程实现

用户线程(User Thread,UT)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的实现。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的关系称为一对多的线程模型。

优点

这种线程不需要切换内核态,效率非常高且低消耗,也可以支持规模更大的线程数量,部分高性能数据库中的多线程就是由用户线程实现的。

缺点

由于没有系统内核的支援,所有的线程操作都需要用户程序自己处理。阻塞处理等问题的解决十分困难,甚至不可能完成。所以使用用户线程会非常复杂。

3. 使用用户线程加轻量级进程混合实现

使用用户线程和轻量级进程混合实现这种方式,分别使用了用户线程和轻量级进程的优点。在这种混合模式中,用户线程与轻量级进程的数量比是不定的,即为N:M的关系。许多unix系列的操作系统,如Solaris、HP_UX等都提供了N:M的线程模型实现。

优点:

  1. 用户线程还是完全建立在用户空间中,因此用户线程的创建、切换、析构等操作依然廉价,并且可以支持大规模的用户线程并发。
  2. 使用轻量级进程作为用户线程和内核线程之间的桥梁,这样可以使用内核提供的线程调度功能及处理器映射,并且用户线程的系统调用要通过轻量级线程来完成,大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。

二、Java线程的实现

JDK1.2之前,绿色线程——用户线程。JDK1.2后——基于操作系统原生线程模型来实现,Java虚拟机并未限定Java线程需要使用哪种线程模型来实现。Sun JDK,它的Windows版本和Linux版本都使用一对一的线程模型实现,一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中。 Solaris同时支持一对一和多对多。

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