Java中的JVM是如何实现多线程的?
Java线程模型
并发不一定都要用到线程,比如PHP中用到的是多进程。但是在Java中并发基本上都是使用线程来实现的。我们先来看看线程在Java虚拟机中是如何实现的。
线程的实现
主流的操作系统都提供了线程的实现,Java线程则提供了在不同硬件和操作系统下对线程的统一处理。每个已经start且并未结束的Thread类的实例对象都是一个线程。
我们查看Thread的JDK源码,发现所有的方法都被native
修饰。也就是说,Thread是使用平台相关的手段来实现的。在不同的操作系统或者硬件平台都有不同的实现。因此,标题为线程的实现
,而不是Java线程的实现
实现线程主要有三种方式
- 内核线程 (1:1线程模型)
- 用户线程 (1:N 线程模型)
- 用户线程 + 轻量级进程 混合 (N:M 线程模型)
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内核线程的实现
内核线程(Kernel-Level Thread,KLT)是由操作系统内核直接支持的线程 。这种线程由内核来完成线程切换。内核通过操纵调度器对内核线程进行控制,并负责将线程的任务映射到各个处理器。
程序一般不会直接使用内核线程,而是使用它的高级接口:
轻量级进程
(LWP)。轻量级进程就是我们通常意义上讲的线程。每个轻量级进程都由一个内核线程支持。因此这种方式称为1:1的线程模型由于内核线程的支持,每个轻量级进程都是一个独立的调度单元。由于是基于系统内核实现的,所以此种方式在对线程进行创建,同步等操作的时候都需要系统内核调用。需要在用户态和系统内核态之间频繁切换,影响性能。
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用户线程的实现
用户线程指完全建立在用户态的线程库中,用户线程的创建,同步,销毁,调度等操作完全在用户态中完成,不需要在频繁切换内核态。因此速度很快。很多高性能的数据库中的多线程就是用的用户线程。
由于是一个进程对应多个用户线程,因此,线程模型是1:N的
缺点:
- 由于所有的线程操作都需要由用户处理,所以线程的创建,销毁,切换,调度都是用户需要考虑的问题。
- 由于操作系统只将处理器的资源分配到进程程度,所以
阻塞如何处理
,多处理器如今分配资源
等问题都需要由用户解决。
Java,Ruby等语言都使用过用户线程,但是最终都放弃了。
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用户线程 + 轻量级进程 混合实现
在这种情况下,既存在用户线程,又存在轻量级进程,
用户线程的建立还是在用户态中
,因此不需要频繁切换内核态,保证了速度的高效。轻量级进程为用户线程和内核线程的桥梁
。这样可以使用内核提供的线程调度功能处理用户线程中存在的问题。用户线程和轻量级进程的比例是不确定的。因此是N:M的线程模型
Java线程的实现
Java规范中并没有具体要求使用哪种方式来实现
在JDK1.2之前,使用一种绿色线程
的用户线程来实现的。
JDK1.3之后,普遍采用内核线程来实现,也就是1:1的线程模型。
以市场占有率最大的HotSpot虚拟机来举例,它的每一个线程都是直接映射到操作系统的原生线程来实现的。中间没有额外的结构,所有的线程调度都是由操作系统完成的,虚拟机全权交给操作系统处理。
操作系统支持什么样的线程模型,很大程度上会影响在此系统上的虚拟机的选择。所以在JVM规范中,不会限定使用哪种线程模型。由于Thread类对底层的规范统一,对于上层的Java应用来说,底层的差异都是透明的。只要面向Thread类进行编程就好了。
这也间接的符合了设计原则中的依赖倒置原则
。
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