Java线程实现

shysh95

发布于 2021-04-02 08:31:31

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发布于 2021-04-02 08:31:31

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摘要

由于Java的并发和线程息息相关，我们今天看一下线程的实现方式，通用的线程实现方式有：

使用内核线程实现
使用用户线程实现
使用用户线程和轻量级进程实现
Java线程实现

1. 内核线程

内核线程（KLT）其实就是直接由操作系统内核支持的线程，这种线程由内核完成切换。内核通过调度器对线程进行调度，将线程映射到处理器上。

在我们程序的实际使用中，不会直接去使用内核线程，而是使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程(LWP)，轻量级进程就属于我们常说的线程。轻量级进程和内核线程是1:1的关系。

由于内核线程的支持，每一个轻量级进程都是一个可以独立的调用单元，由于轻量级进程基于内核线程实现，内核线程直接由操作系统控制，所以我们可以不用线程的创建、切换、调度、阻塞，几乎所有的线程操作都可以交由操作系统内处理。

轻量级线程的缺点就是，我们的操作系统如果要使用轻量级进程必须要进行系统调用，系统调用需要在用户态和内核态进行切换，调用代价相对较高。其次每个轻量级进程对应一个内核线程，因此会占用一定的内核资源，因此一个操作系统支持轻量级进程的数量是有限的。

2. 用户线程

用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知线程的存在。用户线程的所有操作都在用户态中完成，不需要内核的帮助。

用户线程的优点是不需要进行系统调用，调用代价低，缺点就是用户需要自己维护线程的创建、调度、同步、阻塞等操作，实现代价相对较高。

3. 用户线程+轻量级进程

用户线程+轻量级进程就是采用了上述两种实现的结合，通过这种结合我们可以取其精华去其糟粕。

首先用户线程是完全建立用户空间，用户线程的创建、切换调用代价较低，并且可以支持大规模的并发。

轻量级进程是用户线程和内核线程的之间的桥梁，通过轻量级进程，我们可以使用内核提供的线程调度功能和处理器映射(实现代价相对较高的操作)。在这种混合模式中，用户线程和轻量级进程的比例关系为N:M。

4. Java线程实现

Java线程的实现方式就是采用用户线程+轻量级进程混合的模式，Java线程和轻量级进程的比例关系为1:1，至于为什么是1:1，我们可以分析一下：

我们在使用Java的Thread时，会调用start方法开启一个线程。

    public synchronized void start() {
        /**
         * This method is not invoked for the main method thread or "system"
         * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
         * to this method in the future may have to also be added to the VM.
         *
         * A zero status value corresponds to state "NEW".
         */
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();

        /* Notify the group that this thread is about to be started
         * so that it can be added to the group's list of threads
         * and the group's unstarted count can be decremented. */
        group.add(this);

        boolean started = false;
        try {
            start0();
            started = true;
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
                /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                  it will be passed up the call stack */
            }
        }
    }

    private native void start0();

在start方法中有个关键的方法就是start0()，然后该方法是个native方法，这时候我们就需要看一下JDK的源码实现了，关于这个start0方法是在源码文件./jdk/src/share/native/java/lang.Thread.c中，如下图：

我们可以看到，start0方法实际上执行的JVM_StartThread方法，该方法所在的文件是./hotspot/src/share/vm/prims/jvm.cpp。

上图中JVM_StartThread方法中我们会new一个JavaThread，然后我们看一下这个JavaThread的实现, JavaThread的类定义在./hotspot/src/share/vm/runtime/thread.cpp中，如下图：

os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);这里就是各个操作系统去创建线程了，这里我们假设我们的操作系统是linux操作系统，create_thread的方法存储在，./hotspot/src/os/linux/vm/os_linux.cpp中，linux中的线程创建方式是pthread，在create_thread方法中最终会有如下代码，完成轻量级进程的创建，如下：