2.6.2 Java线程模型

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)
  1. 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

    image-20210801142929121

    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。

  2. 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

    image-20210801143143220

    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。

  3. 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

    image-20210801142757700

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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