Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()

苍穹之边,浩瀚之挚,眰恦之美; 悟心悟性,善始善终,惟善惟道! —— 朝槿《朝槿兮年说》
Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()
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写在开头 Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()
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众所周知,在计算机操作系统中,进程(Process)是一个很关键的概念,最本质的理解就是操作系统执行的一个应用程序(Application Program)。与每个进程相关的是地址空间(Address Space)。其中,描述的是从某个最小值的存储位置(通常是0)到最大值的存储位置的列表。在这个地址空间中,进程可以进行读写操作。地址空间中可以存放可执行程序,以及程序需要的数据和栈针。与每个进程相关的资源集合。通常包括寄存器(Registers),打开的文件清单,突发的系统报警,有关的进程清单和其他执行程序的信息。其中,寄存器主要包括程序计数器(Program Counter)和堆栈指针(Stack Pointer)。从一定程度上,我们可以把进程当作容纳运行一个程序所有信息的一个容器(Container)。
操作系统中可以使用进程来描述一个程序的执行过程,进程拥有该程序的所有数据(包括一些I/O分配情况、内存分配情况等),也就是该程序的一个载体,所以进程有一个特点就是资源分配的单位,这一点十分重要。进程还有一个特点就是调度执行,交替执行以提高资源利用率。
操作系统管理进程(创建、切换进程、分配与回收等)开销是很大的,比如进程创建时还需要创建PCB,分配内存独立的内空间,建立映射表,创建资源,进程切换时还需要切换资源,如切换对应的内存映射表,进程退出时还需要释放资源。
由此不难得出一个结论,每一个进程都有一个地址空间(Address Space)和一个控制线程(Control Thead)。但是,操作系统有了进程为何要出现线程呢?主要是因为,虽然进程任然是资源分配的单位,但是调度执行却交给了线程,因为线程是在进程的内部,线程间的切换不用切换资源,不用切换映射表,只需要简单的在进程内部切换一下PC指针和保存一些寄存器即可,这也就更轻量了(避免不了不同进程间的线程切换)。
基本概述 Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()
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线程(Thread)既保留了并发执行的优点,也避免了进程切换的代价。
假设现在有一个网络服务器,此时没有线程的概念,该服务器程序用到多个进程,如用一个进程监听客户端的请求,当客户端连接上后就分派出(复制出一个子进程)一个进程给该用户(每个进程都有独立的资源),用于监听该用户发送的数据并处理(即多进程程序),此时设想一下,这多个进程切来切去,每次切换的时候都需要切换资源,是不是很耗费资源。
此时,引入了线程之后,网络服务器这个程序是一个进程,进程用于承载该程序的资源,首先用进程中的一个线程监听请求,每次连接客户端都分配一个线程给用户(多线程程序),此时处理器只需要在这几个线程中切换即可,线程的切换不需要切换资源(进程时资源级的切换,线程是指令级的切换),那么多个线程只需要共享进程中的资源即可,其运行速度和执行效率也得到了提升。
由此可见,操作系统引入线程后,调度和分派是在线程上完成的,但是某些活动会影响进程中的所有线程,因此这些活动必须在进程级对他们进行管理。如挂起操作会挂起所有线程,因为所有线程共享进程的用户地址空间。引入了线程最关键的体现在以下两个方面:
  • 线程的创建、终止和调度更轻量
  • 线程间的通信不进过内核,不需要用户态->内核态的转换
但是,同时也增加了程序的开发难度,如果开发者对于线程机制的掌握和认识不够准确,也会陷入技术困惑。
线程模型
所有线程共享进程的状态和资源,所以线程都驻留在同一块地址空间中,并可访问相同的数据。
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对于有线程和无线程的区别,其中主要是体现在用户栈和内核栈两个关键:
  • 用户栈用于保存用户进程的子程序间相互调用的参数、返回值以及局部变量等信息(保存普通方法的栈)
  • 内核栈是程序发生系统调用时内核态调用方法时的栈;用户地址空间则是进程的程序和数据存放的空间,线程是没有自己的用户地址空间的
一般来说,用户栈和内核栈已经在线程中独有,也证明了线程成为了任务调度的基本单位,这些线程都共享进程所持有的资源,线程控制块中存放了寄存器的值、优先级、线程状态等信息。
在操作系统层面,线程也有“生老病死”,专业的说法叫有生命周期。虽然不同的开发语言对于操作系统线程进行了不同的封装,但是对于线程的生命周期这部分,基本上是相通的。每一个线程基本都有如下特征:
  1. 类似进程,线程也有执行状态(生命周期),因为线程也是一个执行过程
  2. 线程的上下文,线程切换时也需要进行保护现场
  3. 执行栈,保存系统调用时的一些参数和中间结果
  4. 少量的,线程私有的局部变量的存储空间,不再拥有大量的存储空间
  5. 与进程内其他线程共享的内存和资源的访问
  6. 线程控制块TCB,存放上下文切换的信息,同PCB
可以看出,对于有生命周期的事物,要学好和掌握它,思路非常简单,只要能搞懂生命周期中各个节点的状态转换机制即可。
线程分类 Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()
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线程分为用户级线程(User-Level Thread,ULT)和内核级线程(Kernel-Level Thread,KLT),内核级线程又叫做轻量级进程(Light-Weight Process,LWP)。
用户级线程(User-Level Thread,ULT) Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()
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在纯ULT软件中,管理线程的所有工作都是应用程序完成,内核意识不到线程的存在,线程完全是由线程库提供的,创建、销毁、调度线程、线程间传递消息等,还包括保存上下文都是由它管控的,如果可以的话我们自己也可以实现自己的线程库,只要合理的组织线程即可。
但是用户级线程所有的活动都发生在用户空间和一个进程中,系统感知不到用户级线程的存在,所以系统依旧是以进程的方式调度。
当线程1发生系统调用等阻塞了,此时系统就会认为该进程阻塞了,操作系统会把CPU时间片分配给其他进程,在此期间,根据线程库维护的数据结构来看,线程1任然处于运行状态,但在处理器执行的角度,线程2是不处于运行状态的,也分不到时间片。
这也导致了用户级线程一旦阻塞,就会阻塞进程中的所有线程,使得其他线程也得不到运行。使用用户级线程(ULT)如下特点:
优点:
  • 所有线程的管理都在一个进程的用户空间中,线程的切换不需要内核模式特权,不需要系统调用,从而节省了用户态到内核态转换的开销
  • 线程的调度更灵活,可以为每个不同的应用程序量身定制更合适的调度算法,因为这些调度算法都可以自己实现,不需要更改操作系统底层的调度程序
  • ULT可以在任何操作系统下运行,即便是不支持线程的操作系统也能实现,线程库是供所有应用程序共享的一组应用级函数
缺点:
  • 在执行一个系统调用时不仅仅是阻塞当前线程,还会阻塞进程中的所有线程
  • ULT不能利用多处理技术,操作系统看不到线程,所以内核一次只能把一个进程分配给一个处理器,因此一个进程中的所有线程不能够并行执行,只能够并发执行,相当于一个进程内实现了多道程序设计
    解决这两个问题的方法有:
  • 把应用程序写出多进程程序,但是该方法消除了线程的主要优点
  • 套管技术:把产生阻塞的系统调用转化为一个非阻塞的系统调用
综上所述,用户级线程(User-Level Thread,ULT)适合计算密集型的,因为不需要IO操作 ,不会阻塞整个进程。
内核级线程(Kernel-Level Thread,KLT) Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()
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在KLT软件中,管理线程的所有工作均由内核完成,应用级没有线程管理代码,只有一个到内核线程的API。
内核为进程级进程内的所有线程维护上下文信息,调度由内核基于线程完成。
该方法克服了ULT的两个缺点。首先,内核可以把一个进程中的线程分配个多个处理器中;其次,进程中的某个线程阻塞了,内核还可以调度同一个进程中的其他线程。
缺点是:在把控制权从一个线程传送到另一个进程的线程时,需要切换到内核模式,开销较大。
综上所述,KLT并发性更好,适合I/O操作较多的程序。
混合线程(Hybrid-Approach Thread,HAT) Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()
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有些操作系统提供了ULT和KLT的混合体:线程创建完全在用户空间中完成,线程的调度和同步也在应用程序中进行,一个应用程序中的多个用户级线程会被映射到一些(小于等于用户级线数)内核级线程上,进程和线程的比为 N:M,N<=M,ULT中比值为1:N,KLT为1:1
同一个应用程序中的多个线程可在多个处理器上并行的运行,某个引起阻塞的系统调用不会阻塞整个进程。
综上所述,内核级线程(KLT)和用户级线程(User-Level Thread,ULT)对比分析如下:
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线程生命周期 Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()
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【Java 并发编程解析 | 关于线程机制的那些事,你究竟了解多少()】一个线程的生命周期基本上可以这个“五态模型”来描述,主要分别是:初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态。其中:
  1. 初始状态,指的是线程已经被创建,但是还不允许分配 CPU 执行。这个状态属于编程语言特有的,不过这里所谓的被创建,仅仅是在编程语言层面被创建,而在操作系统层面,真正的线程还没有创建。
  2. 可运行状态,指的是线程可以分配 CPU 执行。在这种状态下,真正的操作系统线程已经被成功创建了,所以可以分配 CPU 执行。
  3. 运行状态:当有空闲的 CPU 时,操作系统会将其分配给一个处于可运行状态的线程,被分配到 CPU 的线程的状态就转换成了运行状态。
  4. 休眠状态:运行状态的线程如果调用一个阻塞的 API(例如以阻塞方式读文件)或者等待某个事件(例如条件变量),那么线程的状态就会转换到休眠状态,同时释放 CPU 使用权,休眠状态的线程永远没有机会获得 CPU 使用权。当等待的事件出现了,线程就会从休眠状态转换到可运行状态。
  5. 终止状态:线程执行完或者出现异常就会进入终止状态,终止状态的线程不会切换到其他任何状态,进入终止状态也就意味着线程的生命周期结束。
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