17 Java内存模型与线程_Java与线程

目录

• 1 线程的实现
  • 1.1 内核线程实现
  • 1.2 用户线程实现
  • 1.3 用户线程加轻量级进程混合实现
• 2 Java线程实现
• 3 Java线程调度
  • 3.1 协同式线程调度
  • 3.2 抢占式线程调度
  • 3.3 Java线程优先级
• 4 Java线程状态
• 5 为什么内核线程调度切换成本更高？
  • 5.1 成本在哪里
  • 5.2 什么是上下文
  • 5.3 线程切换的成本分析
• 6 Java线程模型面临的困境
• 7 学习收获

1 线程的实现

主流操作系统都提供线程的实现，在这基础上，上层应用可以构建自己的线程实现方式（Java、php、go的线程实现各不一样）。
三种线程实现方式：内核线程实现（1：1实现），用户线程实现（1：N实现）， 用户线程加轻量级进程混合实现（N：M实现）

1.1 内核线程实现

内核线程：直接由操作系统内核支持的线程：

角色说明：

• 操作系统：内核、线程调度器、轻量级进程接口
• 内核：创建内核线程、创建轻量级进程（线程）
• 线程调度器：由内核控制，进行线程调度和任务派发
• 处理器：执行线程任务
• 内核线程：由内核创建管理
• 轻量级进程：由内核创建的，面向应用程序的线程。由内核线程一对一支持

工作流程：

1. 应用程序通过轻量级进程接口，提交创建线程请求，连同任务内容传入内核
2. 内核接收到线程创建请求，创建内核线程，同时创建面向应用程序的线程。线程与内核线程为1:1
3. 内核控制线程调度器，将内核线程分派处理器，由处理器执行线程任务

应用：Java

1.2 用户线程实现

定义：完全建立在用户空间的线程库上，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。

优点：不需要在内核态和用户态来回切换，因此快速且低消耗
缺点：线程的创建、销毁、切换和调度等操作都由用户实现，复杂
应用：Golang、Erlang等以高并发为卖点的编程语言，支持用户线程

1.3 用户线程加轻量级进程混合实现

定义：将内核线程与用户线程一起使用
优点：综合了两者的优点
应用：一些UNIX系列的操作系统，如Solaris、HP-UX

2 Java线程实现

采用：内核线程实现（1：1实现）

HotSpot：每个Java线程映射到一个操作系统原生线程来实现，虚拟机不会干涉线程调度（可以设置线程优先级给操作系统提供调度建议），全权交给操作系统去处理，包括：何时冻结或唤醒线程、该给线程分配多少cpu时间片、该把线程分给哪个处理器核心去执行。

注意：《Java虚拟机规范》没有限定线程采用什么模型来实现

3 Java线程调度

线程调度：系统为线程分配CPU使用权的过程，调度主要方式有两种，协同式线程调度 、抢占式线程调度

3.1 协同式线程调度

方式：执行时间由线程自身来控制，执行结束要主动通知系统切换到其它线程
优点：简单、不会有同步问题
缺点：一个线程有异常会导致系统停顿
应用：Lua语言中的“协同例程”

3.2 抢占式线程调度

方式：线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定。
优点：不会因为一个线程异常导致系统停顿
应用：Java语言。

3.3 Java线程优先级

Java多线程环境下：

1. 允许设置线程优先级给OS提供调度建议：处于Ready状态的线程，优先级越高的越容易被执行。
2. Thread::yield()方法可以主动让出执行时间
3. Java线程不能主动抢占执行时间 【只能让出】

设置线程优先级非完全可靠：

1. OS可能会越过外部设置的优先级（Windows：“优先级推进器”：当系统发现一个线程被执行得特别频繁时，可能会越过线程优先级去为它分配执行时间）
2. Java的线程优先级跟OS的线程优先级可能不匹配（Java10种，windows7种）

4 Java线程状态

六种状态：

• 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态

• 运行（Runnable）：处于此状态的线程有可能正在执行，也有可能正在等待着操作系统为它分配执行时间。

• 无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配处理器执行时间，它们要等待被其他线程显式唤醒。触发情形：

  • 没有设置Timeout参数的Object::wait()方法；
  • 没有设置Timeout参数的Thread::join()方法；
  • LockSupport::park()方法

• 限期等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被分配处理器执行时间，不过无须等待被其他线程显式唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。触发情形：

  • Thread::sleep()方法；
  • 设置了Timeout参数的Object::wait()方法；
  • 设置了Timeout参数的Thread::join()方法；
  • LockSupport::parkNanos()方法；
  • LockSupport::parkUntil()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”在等待着获取到一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而“等待状态”则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。

• 结束（Terminated）：线程已经结束执行结束

线程状态转换关系：

5 为什么内核线程调度切换成本更高？

5.1 成本在哪里

内核线程的调度成本主要来自于用户态与核心态之间的状态转换，而这两种状态转换的开销主要来自于响应中断、保护和恢复执行现场的成本

5.2 什么是上下文

• 程序员视角：方法调用过程中的各种局部的变量与资源
• 线程视角：方法的调用栈中存储的各类信息；
• 操作系统和硬件的视角：存储在内存、缓存和寄存器中的一个个具体数值

5.3 线程切换的成本分析

假设发生了这样一次线程切换：

线程A -> 系统中断 -> 线程B

成本分析：

1. 已知1：程序的运行是代码+数据的组合，数据保存在“上下文”中
2. 已知2：各种存储设备、寄存器是被操作系统内所有线程共享的资源
3. 当中断发生，从线程A切换到线程B去执行之前，操作系统首先要把线程A的上下文数据妥善保管好，然后把寄存器、内存分页等恢复到线程B挂起时候的状态，线程B被重新激活并继续执行
4. 保护和恢复现场的过程，涉及一系列数据在各种寄存器、缓存中的来回拷贝，这边便是成本所在

6 Java线程模型面临的困境

已知：Java采用1：1的内核线程模型

以前：单体应用，处理一个请求允许花费很长时间在单体应用中，线程数量少，线程切换的成本低

当下：微服务，服务数量多，线程数量也变多

矛盾：每个请求本身的执行时间变得很短、数量变得很多的前提下，用户线程切换的开销甚至可能会接近用于计算本身的开销，这就会造成严重的浪费。

7 学习收获

• 了解：Java的线程模型？

Java程序面向用户线程，操作系统管理内核线程，内核线程和用户线程1：1对应关系

• 了解：内核线程模式下，线程切换的开销成本体现在那里？

保护和恢复现场的过程，涉及一系列数据在各种寄存器、缓存中的来回拷贝

• 理解线程调度中的上下文指什么？