Java线程

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线程的实现

  实现线程主要有 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。

1.使用内核线程实现

  内核线程（Kernel-Level Thread，KLT）就是直接由操作系统内核支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操作调度器对线程进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上。每个内核线程可以视为内核的一个分身，这样操作系统就有能力同时处理多个任务，支持多线程的内核叫做多线程内核。

  程序一般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（Light Weight Process，LWP），也就是我们通常意义上所讲的线程。由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。这种轻量级进程和内核线程之间 1 : 1 的关系称为一对一的线程模型，如下图。

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  由于是基于内核线程实现的，所以各种线程操作，如创建、析构及同步，都需要进行系统调用。而系统调用的代价相对较高，需要在用户态和内核态中来回切换，其次，每个轻量级进程都需要一个内核线程的支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），因此，一个系统支持的轻量级进程的数量是有限的。

  Sun JDK 的 windows 版与 Linux 版都是使用此模型实现的。

2.使用用户线程实现

  广义上讲，一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程（User Thread，UT），那轻量级进程也属于用户线程，但轻量级进程的实现始终是建立在内核之上的，许多操作都要进行系统调用，效率会受到限制。

  狭义上的用户线程是指完全建立在用户控件的线程库上，系统内核不能感知线程存在，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。这种线程是不需要切换到内核态，因此操作时非常快速且低消耗的。这种实现可以支持规模更大的线程数量，这种进程与用户线程之间 1 : N 的关系称为一对多的线程模型。

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  使用用户线程的优势在于不需要系统内核支援，劣势也在于没有系统内核的支援，所有的线程操作都需要用户程序自己处理，创建、切换、调度、销毁都非常复杂。现在使用蔗渣模型的程序越来越少了，Ruby、Java曾经使用过用户线程，最终又放弃了它。

3.使用用户线程加轻量级进程混合实现

  许多Unix操作系统，如 Solaris、HO-UX 提供了 N : M 的线程模型实现，这种模型其实就是将上面两种方式混合，如下图：
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Java线程调度

  线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要调度方式有两种：协同式线程调度和抢占式线程调度。

  协同式调度的多线程系统中，线程的执行时间是由线程本身来控制的，线程把自己的工作执行完了后，要主动通知系统切换到另外一个线程上。这种实现的最大好处是实现简单，切换操作对于线程自己事可知的，所以没有线程同步的问题。坏处也很明显：线程执行时间不可控，甚至如果一个线程编写有问题，一直不告诉系统进行线程切换，那程序就会阻塞，甚至系统崩溃。

  如果使用抢占式调度的多线程系统，那么每个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。Java使用的就是抢占式调度。

操作系统中的线（进）程状态转换

  首先要简单说下操作系统中线程的状态，其有五个状态，除了创建和终止，还有就绪、运行和阻塞状态，当发生 I/O 或其它事件时，会从运行状态转变为阻塞状态，当 I/O 结束时，便从阻塞状态转变为就绪状态，此时只要有 CPU 时间片就可以立即变为运行状态。
进程转换状态

不难发现操作系统中的线程状态都是围绕着 CPU 来说的

Java线程状态转换

  Java线程定义了 6 种线程状态：

  • 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态。
  • 运行（Runbale）：包括了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready，也就是处于此状态的线程可能正在执行，也可能正在等待 CPU 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 CPU 时间，它们要等待被其它线程显示地唤醒，以下方法会让线程陷入此状态：
    • 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。
  • 期限等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配 CPU 时间，不过无须等待被其它线程显示地唤醒，在一定时间后它们会由系统自动唤醒，以下方法会让线程陷入此状态：
    • 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，阻塞与等待的区别是阻塞是在等待着获取到一个排它锁，这个事件将在另外一个事件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唤醒动作的发送。当程序进入同步区域的时候，线程将进入阻塞状态。
  • 结束（Terminated）：线程已经结束执行。

  需要注意的是，Java中的线程状态并不是与操作系统中的线程状态一一对应的。查看 Thread 类的源代码，可以看见 RUNNABLE 状态的注释中说了处于这个状态线程可能正在 JVM 中执行，也可能正在等待操作系统的某种资源。所以，RUNNABLE 状态至少包括了操作系统中的就绪和运行状态的。

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/**
* Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable
* state is executing in the Java virtual machine but it may
* be waiting for other resources from the operating system
* such as processor.
*/
RUNNABLE

  当发生 I/O 阻塞时，操作系统概念下的线程会切换到阻塞状态，但 Java 的线程状态也有阻塞，还有无期限等待和期限等待，那此时 Java 的线程状态是什么呢？其实也还是 RUNNABLE，可以写一个简单 demo 来验证：

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  同理，网络阻塞时，Java的线程状态也还是 RUNNABLE。Java 中的 RUNNABLE 实际对应了操作系统中的 就绪状态、运行状态和部分阻塞状态。看起来很混乱，那 Java 为什么要这么做呢？前面 RUNNABLE 的注释说到该状态的线程可能正在JVM中执行，也可能正在等操作系统的资源，JVM 把很多东西都看作了资源，硬盘、CPU、网卡也罢，只要有一个东西在为线程服务，那就可以理解为这个线程是在“执行”的，虽然 I/O 阻塞， CPU 不执行了，但网卡还在监听干活啊，只是暂时没有数据罢了。操作系统的线程状态都是围绕着 CPU 来说的，这与 JVM 的侧重点不同。

  如果 Java 中的线程处于期限等待、无期限等待或阻塞状态，那说明这个线程真的是一点事都不干了，而且是你自己不让它干的，例如调用了 sleep()、wait() 方法。

参考：https://my.oschina.net/goldenshaw/blog/705397