【操作系统笔记】线程的实现与调度（结合Java）

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并发不一定要依赖多线程（也可以多进程并发），但是在Java中谈论并发，大多数都与线程脱不开关系。线程的引入，可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度（线程是CPU调度的最基本单位）。

操作系统线程的实现

实现线程主要有三种方式：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。

使用内核线程实现

内核线程（Kernel 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。程序一般不会直接去使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（Light Weight Process，LWP），轻量级进程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。这种轻量级进程与内核线程之间1：1的关系称为一对一的线程模型。轻量级进程要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），而且系统调用的代价相对较高，因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。

使用用户线程实现

广义上来讲，一个线程只要不是内核线程，那就可以认为是用户线程（User Thread，UT），而狭义的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到线程存在的实现，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。如果程序实现得当，这种线程不需要切换到内核态，因此操作可以是非常快速且低消耗的，也可以支持规模更大的线程数量，部分高性能数据库中的多线程就是由用户线程实现的。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。

使用用户线程的优势在于不需要系统内核的支援，劣势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，因而使用用户线程实现的程序一般都比较复杂，现在使用用户线程的程序越来越少了。Java、Ruby层语言都曾经使用过用户线程，最终又都放弃了使用它。

混合实现

混合环境下，既存在用户线程，又存在轻量级进程。用户线程还是完全建立在用户空间中，而操作系统所支持的轻量级进程则作为用户线程和内核线程之间的桥梁。这种混合模式下，用户线程与轻量级进程的数量比是不定的，是M：N的关系。许多Unix系列的系统，都提供了M：N的线程模型实现。

Java线程的实现

Java线程在JDK1.2之前，是基于名为“绿色线程”的用户线程实现的，而在JDK1.2中，线程模型被替换为基于操作系统原生线程模型来实现。因此，在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，在很大程度上就决定了Java虚拟机的线程是怎样映射的，这点在不同的平台上没有办法达成一致，虚拟机规范中也未限定Java线程需要使用哪种线程模型来实现。

线程调度

线程调度室指系统为线程分配处理器使用权的古城，主要的调度方式有两种：协同式和抢占式线程调度。

协同式线程调度

使用协同式的线程调度，线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完了后，要主动通知系统切换到另一个线程上去。协同式线程调度的最大优点是实现简单，而且由于线程要把自己的事情干完后才会进行线程切换，因此没有什么线程同步的问题。它的缺点很明显：线程执行时间不可控制，有可能出现线程饥饿、永久阻塞等问题。比如，如果一个线程编写有问题，一直不告知系统进行线程切换，那么程序就会一直阻塞在那里。

抢占式线程调度

使用抢占式的线程调度，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（在Java中，Thread.yield（）可以让出执行时间，但是要获得执行时间的话，线程本身是没有办法的）。在这种实现线程调度的方式下，线程的执行时间是系统可控的，也不会因为一个线程而导致整个进程阻塞。Java使用的线程调度方式就是抢占式调度。另外，抢占式线程调度也与线程优先级有关，不过线程优先级并不是很靠谱，原因是Java的线程是被映射到系统的原生线程上来实现的，所以线程调度最终还是由操作系统说了算，虽然现在好恩多操作系统都有提供线程优先级的概念，但是并不见得能与Java线程的优先级一一对应。因此，不能太依赖优先级。