Java线程知识拾遗

知识回顾

进程与线程是常常被提到的两个概念。进程拥有独立的代码段、数据空间，线程共享代码段和数据空间，但有独立的栈空间。线程是操作系统调度的最小单位，通常一个进程会包含一个或多个线程。多线程和多进程都可以实现并发处理，如 nginx 使用多进程方式、tomcat 使用多线程方式、Apache 支持混合使用。在 C/C++ 等语言中可以同时使用多进程和多线程，而在 Java 中只能使用多线程。

在 Java 中，创建线程的唯一方式是创建 Thread 类的实例，调用实例的 start() 方法启动线程。

 

Java 线程实现

在 JDK 1.2 之前，Java 使用用户线程实现 Java 线程，在 JDK 1.2 及之后，Java 基于操作系统原生的线程模型实现 Java 线程。

使用用户线程( User Thread, UT ) 实现，是指线程建立在用户态空间，线程的建立、同步、调度与销毁都在用户态完成，进程与用户线程之间是1 : N 的对应关系。这种情况下，内核无法知道有多少个用户线程，实现较为复杂。

使用内核线程实现，是指基于轻量级进程( Light Weight Process, LWP ) 来实现线程。每个轻量级进程都有一个内核线程( Kernel-Level Thread, KLT ) 支持，与内核线程之间是 1 : 1 的对应关系。这种情况下，调度线程时可能需要在内核态和用户态之间进行切换。由于轻量级进程需要消耗内核资源，能够支持的线程数量是有限的。

如在 Windows 和 Linux 系统中，操作系统原生的线程模型是 1 : 1 的对应关系，对于 Sun JDK 来说，一个 Java 线程就对应着一个轻量级进程。

 

线程调度与状态

在 Java中线程的调度方式是抢占式调度，即由系统来负责各个线程的时间分配，并在线程使用完分配的时间后调度下一个线程。任何一个线程都不能独占 CPU 。Java 语言一共设置了 10 个线程优先级，当两个线程同时等待执行时，优先级高的先被调度。线程的优先级会被映射到操作系统原生线程上去，但各个操作系统的优先级划分不完全一样，因此两个优先级不同的 Java 线程在操作系统中执行时也可能处于相同的优先级。

Java 定义了 5 种线程状态，分别是新建 ( New )、运行 ( Running )、等待 ( Waiting )、限期等待 ( Timed Waiting )、阻塞 ( Blocked ) 和结束 ( Terminated )。任一时刻，线程都处于 5 种状态中的一种，并在各个状态之间切换，如图所示。

 

其中，各个状态含义如下：

新建：创建后未启动；

运行：对于 Java 来说，线程已经运行，但对于操作系统来说，可能在运行或等待；

等待：线程等待被其他线程唤醒，如调用了 wait、join 且没有指定超时时间；

限期等待：线程等待一段时间后被系统唤醒，如调用了 sleep、wait、join 并设置了超时时间；

阻塞：线程进入同步区域需要与其他线程协调同步，如需要进入 synchronized 区域但其他线程尚未退出此区域；

结束：run 方法执行完成后，线程结束。

 

虚拟机栈

在 Java 内存模型中，每个虚拟机线程都有自己私有的虚拟机栈。栈与线程同时创建，其中存储的是线程的栈帧 ( Stack Frame )。每个方法的调用，都对应着一个栈帧的入栈和出栈。在栈帧中，存储着局部变量表 ( Local Variable Table )、操作栈 ( Operand Stack )、动态连接 ( Dynamic Linking )、返回地址 ( Return Address ) 和其他附加信息。

 

线程的工作内存

在内存模型中，Java 要求所有的变量都必须存储在主内存中，每个线程拥有自己的工作内存。工作内存中保存了线程需要读写的变量的主内存的副本。线程对变量的读写操作都在工作内存中直接进行，并不会去操作主内存中的内容，主内存与工作内存的同步由虚拟机完成。不同线程不能访问彼此的工作内存，变量值的传递需要经过主内存才能完成。

Volatile 修饰的变量可以保证变量对所有线程可见，即某个线程修改变量后，其他线程总能立刻读到新值。即便如此，多线程并发时，对 volatile 变量进行自增自减操作也不能保证线程安全。

 

总结

线程在 Java 中只能通过创建 Thread 类的实例来创建。在 JDK 1.2 之后，Java 中的线程基于操作系统原生的线程模型来实现线程。线程的调度方式是抢占式调度，即由系统来负责各个线程的时间分配，并在线程使用完分配的时间后调度下一个线程。Java 定义了 5 种线程状态：新建、运行、等待、限期等待、阻塞和结束。

每个虚拟机线程都有自己私有的虚拟机栈。栈与线程同时创建，其中存储的是线程的栈帧。每个方法的调用，都对应着一个栈帧的入栈和出栈。每个线程拥有自己的工作内存，工作内存中保存了线程需要读写的变量的主内存的副本。线程对变量的读写操作都在工作内存中直接进行，并不会去操作主内存中的内容，主内存与工作内存的同步由虚拟机完成。

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