线程与Java线程

搬砖俱乐部

发布于 2019-06-15 17:32:49

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文章被收录于专栏：BanzClub

对于程序的运行过程，操作系统中最重要的两个概念是进程和CPU，进程就是运行程序的一个抽象，CPU主要工作就是对进程的调度。需要理解的是，一个CPU在一个瞬间，只能执行一个进程，通常这个时间片段是几十毫秒或几百毫秒，但对于用户来讲，就像多个程序同时运行，这就是伪并行（对于一个CPU来讲）。进程包含几乎程序运行的所需要的所有信息，包括程序计数器、堆栈指针、程序对应地址空间（存放可执行程序、程序的数据、程序的堆栈等）的读写操作以及其他资源的信息。进程的执行有三个状态：正在运行的进程是运行态，还包括就绪态（可运行，CPU正在执行别的进程）、阻塞态（等待某个资源或某个事件发生之前的进程的状态）。三种状态的切换如下图所示：

为了实现进程模型，操作系统维护着一张表格，即进程表。每个进程占用一个进程表项。该表项包含了进程状态的重要信息，如下图：

在了解进程表之后，还需要理解中断的概念：对于进程来说，中断意味着进程需要让出CPU，进程进入阻塞状态，需要在进程表项中保存进程相关信息，以便下次CPU执行时，可以继续执行进程；对于磁盘来说，中断是指磁盘完成了程序指定的响应的任务，产生的中断信号；对于CPU来说，在就绪队列中，轮询到下一个进程时间片时，从中断向量中读取到寄存器信息，将会继续执行该进程。

那什么是线程呢？为什么有了进程还需要线程呢？

首先，考虑程序的功能，往往不是单一的功能，比如在执行一件事的同时，可以进行其他事情，这时一方面，进程的创建相比于线程的创建来说，比较消耗资源，也就是线程更加轻量级；另一方面，线程可以共享地址空间，这对于一些应用程序来说，确实是比较需要的。然后，如果CPU密集型的任务，涉及到CPU的计算和上下文切换，多线程的处理能力，可能并不会比多进程有太大的优势，但对于I/O密集型的任务来说，而随着多核计算机的普及，硬件领先软件的情景出现，使得并行处理有了发展硬件支撑，所以多线程技术也得到了很好的发展。当然，线程也有缺点，由于一个线程死掉了意味着整个进程就死掉了，而一个进程死掉不会影响其他进程，所以多线程应用相对于进程应用来说，没有其表现的稳定。

线程包含各自的程序计数器、局部变量、堆栈以及对对共享空间的访问。

线程的生命周期包含5种类型（同进程一致）：

NEW（新建）：非系统中真实存在的线程状态
RUNNABLE（就绪）：
RUNNING（运行）：
BLOCKED（阻塞）：
TERMINATED（终止）：非系统中真实存在的线程状态

线程间的状态切换如下图所示：

操作系统线程的实现有3种方式：使用内核线程实现，使用用户线程实现，使用用户线程加轻量级进程混合实现。

Java线程是JVM进程的线程，由于多核系统的普及，充分发挥多核系统的调度优势，JVM较新版本所支持的所有平台上，大部分采用的是内核实现方式的线程模型。即通过轻量级进程接口（LWP）调用系统的内核线程KLT，再通过操作系统的调度器进行线程的分配执行。

Java线程的在JVM内存结构中包括私有空间和共有空间，也就是Java虚拟机的内存模型。根据虚拟机规范，Java线程私有的空间包括程序计数器，存放当前线程接下来要执行的字节码指令、分支、循环、跳转、异常处理等；Java虚拟机栈，生命周期与线程相同，在方法执行时都需要创建栈帧的数据结构，存放局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等，虚拟机栈大小通过-xss参数配置；本地方法栈，专门用来存储JNI方法的内存区域。Java线程共有的空间包括堆内存，用于存储Java运行时期创建的对象，垃圾回收大部分发生在此区域，堆内存还分新生代（Eden区、From Survivor区、To Survivor区）和老年代；方法区，主要存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器（JIT）编译后的代码等，在1.7版本JVM使用的是永久代，在1.8使用的是元空间来实现方法区。

在JDK中代表线程的是Thread类，Java Thread定义了线程名、线程ID、优先级、是否守护线程、执行目标、线程组、线程状态等属性。而Runnable接口是线程类的执行目标，通过模板设计模式将执行目标的run方法，封装到了线程Thread的start中。所以线程执行的方法是start()，而不是run()。由Thread类创建的对象都会一一映射到操作系统中的OSThread，Thread类通过一系列native方法（JNI）来进行线程的操作。

线程操作

线程sleep：当前线程进入指定时间的休眠（注：具体休眠时间以系统的调度的精度为准）；

线程yield：主动放弃当前的CPU资源（有可能被CPU忽略），状态由Running->Runnable；

线程interrupt：打断进入阻塞状态（调用wait、sleep、join等）的线程，只是阻塞状态被打断，不等于结束线程的生命周期。

线程join：在线程A中，线程B调用join方法（可带时间参数），会使线程A进入等待，直到线程A结束生命周期或者超过指定的时间参数，在此期间线程B处于BLOCKED状态。

线程关闭：stop方法（已过期，不建议使用）；正常关闭（线程结束生命周期正常结束；捕获中断信号关闭线程；使用volatile变量控制线程关闭）；异常关闭（通过抛出异常退出线程；进程假死-线程阻塞或者死锁导致）

线程wait/notify/notifyAll：wait方法使线程进入等待状态，由Runnable变成Waiting；notify/notifyAll方法唤醒等待状态的线程。线程的sleep和wait看起来都是让线程进入等待状态，不过二者是有区别的，线程sleep之后，不会释放调monitor对象锁，只有当线程执行完成之后，其他线程才可以重新进入，而线程wait之后，当前线程会释放调monitor对象锁，其他线程可以进入同步块，线程唤醒之后再重新竞争锁。典型的wait/notify机制，比较适合生产者和消费者模式，如下所示：

在经典的生产、消费模型里，当线程在wait方法，被唤醒之后，不是直接进入Runnable转态，而是先进入阻塞队列，进行等待锁，也就是Blocked，获得锁之后才能进入Runnable状态。

线程状态

Java线程状态包括New（初始）、Runnable（运行状态-包含就绪和运行中）、Blocked（阻塞，阻塞于锁）、Waiting（等待，等待其他线程的动作-通知或中断）、Time_Waiting（超时等待）、Terminated（终止）。

线程调度

线程调度就是为某个线程分配CPU的使用权的过程，这个过程一般分为抢占式调度和协同式调度。Java线程属于抢占式调度，每个线程都会分同样的执行时间片，每次执行时候涉及到上下文切换。在JVM规范中规定每个线程都有优先级，优先级高优先执行，同样优先级则随机选择执行，但实际情况中，这并不是绝对的，所以不能严格按照优先级顺序编写逻辑。