系統(tǒng)線程的實(shí)現(xiàn)原理是什么

1. 使用內(nèi)核線程（1:1 模型）

2. 使用用戶線程（1:N 模型）

3. 使用用戶線程 + 輕量級(jí)進(jìn)程（LWP）（N:M 模型）

我們先復(fù)習(xí)下操作系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵概念：

• 內(nèi)核線程 KLT：內(nèi)核級(jí)線程（Kemel-Level Threads, KLT 也有叫做內(nèi)核支持的線程），直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持，線程創(chuàng)建、銷毀、切換開銷較大
• 用戶線程 UT：用戶線程(User Thread,UT)，建立在用戶空間，系統(tǒng)內(nèi)核不能感知用戶線程的存在，線程創(chuàng)建、銷毀、切換開銷小
• 輕量級(jí)進(jìn)程 LWP：           （LWP，Light weight process）用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程之間的中間層，是由操作系統(tǒng)提供給用戶的操作內(nèi)核線程的接口的實(shí)現(xiàn) 。

• 進(jìn)程 P：用戶進(jìn)程 

下面依次介紹三種線程模型：

內(nèi)核線程模型即完全依賴操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的內(nèi)核線程（Kernel-Level Thread ，KLT）來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程。在此模型下，線程的切換調(diào)度由系統(tǒng)內(nèi)核完成，系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)將多個(gè)線程執(zhí)行的任務(wù)映射到各個(gè)CPU中去執(zhí)行。

程序一般不會(huì)直接去使用內(nèi)核線程，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級(jí)接口——輕量級(jí)進(jìn)程（Light Weight Process,LWP），輕量級(jí)進(jìn)程就是我們通常意義上所講的線程，由于每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都由一個(gè)內(nèi)核線程支持，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有輕量級(jí)進(jìn)程。這種輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線程之間1:1的關(guān)系稱為一對(duì)一的線程模型。         

• 用戶線程模型：

  從廣義上來(lái)講，一個(gè)線程只要不是內(nèi)核線程，就可以認(rèn)為是用戶線程（User Thread,UT），因此，從這個(gè)定義上來(lái)講，輕量級(jí)進(jìn)程也屬于用戶線程，但輕量級(jí)進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)始終是建立在內(nèi)核之上的，許多操作都要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，效率會(huì)受到限制。

  使用用戶線程的優(yōu)勢(shì)在于不需要系統(tǒng)內(nèi)核支援，劣勢(shì)也在于沒(méi)有系統(tǒng)內(nèi)核的支援，所有的線程操作都需要用戶程序自己處理。線程的創(chuàng)建、切換和調(diào)度都是需要考慮的問(wèn)題，而且由于操作系統(tǒng)只把處理器資源分配到進(jìn)程，那諸如“阻塞如何處理”、“多處理器系統(tǒng)中如何將線程映射到其他處理器上”這類問(wèn)題解決起來(lái)將會(huì)異常困難，甚至不可能完成。

  因而使用用戶線程實(shí)現(xiàn)的程序一般都比較復(fù)雜，此處所講的“復(fù)雜”與“程序自己完成線程操作”，并不限制程序中必須編寫了復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)用戶線程的代碼，使用用戶線程的程序，很多都依賴特定的線程庫(kù)來(lái)完成基本的線程操作，這些復(fù)雜性都封裝在線程庫(kù)之中，除了以前在不支持多線程的操作系統(tǒng)中（如DOS）的多線程程序與少數(shù)有特殊需求的程序外，現(xiàn)在使用用戶線程的程序越來(lái)越少了，Java、Ruby等語(yǔ)言都曾經(jīng)使用過(guò)用戶線程，最終又都放棄使用它。

  
           

線程除了依賴內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)和完全由用戶程序自己實(shí)現(xiàn)之外，還有一種將內(nèi)核線程與用戶線程一起使用的實(shí)現(xiàn)方式。在這種混合實(shí)現(xiàn)下，既存在用戶線程，也存在輕量級(jí)進(jìn)程。

用戶線程還是完全建立在用戶空間中，因此用戶線程的創(chuàng)建、切換、析構(gòu)等操作依然廉價(jià)，并且可以支持大規(guī)模的用戶線程并發(fā)。而操作系統(tǒng)提供支持的輕量級(jí)進(jìn)程則作為用戶線程和內(nèi)核線程之間的橋梁，這樣可以使用內(nèi)核提供的線程調(diào)度功能及處理器映射，并且用戶線程的系統(tǒng)調(diào)用要通過(guò)輕量級(jí)線程來(lái)完成，大大降低了整個(gè)進(jìn)程被完全阻塞的風(fēng)險(xiǎn)。

在這種混合模式中，用戶線程與輕量級(jí)進(jìn)程的數(shù)量比是不定的，即為N：M的關(guān)系。許多UNIX系列的操作系統(tǒng)，如Solaris、HP-UX等都提供了N：M的線程模型實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于Sun JDK來(lái)說(shuō)，它的Windows版與Linux版都是使用一對(duì)一的線程模型實(shí)現(xiàn)的，一條Java線程就映射到一條輕量級(jí)進(jìn)程之中，因?yàn)閃indows和Linux系統(tǒng)提供的線程模型就是一對(duì)一的。在Solaris平臺(tái)中，由于操作系統(tǒng)的線程特性可以同時(shí)支持一對(duì)一（通過(guò)Bound Threads或Alternate Libthread實(shí)現(xiàn)）及多對(duì)多（通過(guò)LWP/Thread Based Synchronization實(shí)現(xiàn)）的線程模型，因此在Solaris版的JDK中也對(duì)應(yīng)提供了兩個(gè)平臺(tái)專有的虛擬機(jī)參數(shù)：-XX：+UseLWPSynchronization（默認(rèn)值）和-XX：+UseBoundThreads來(lái)明確指定虛擬機(jī)使用哪種線程模型。

操作系統(tǒng)的線程調(diào)度方式           

線程調(diào)度是指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過(guò)程。

主要的線程調(diào)度方式有兩種，分別是 協(xié)同式線程調(diào)度（Cooperative Threads-Scheduling）和 搶占式線程調(diào)度（Preemptive Threads-Scheduling）

搶占式調(diào)度

如果使用搶占式調(diào)度的多線程系統(tǒng)，那么每個(gè)線程將由系統(tǒng)來(lái)分配執(zhí)行時(shí)間，線程的切換不由線程本身來(lái)決定（在Java中，Thread.yield（）可以讓出執(zhí)行時(shí)間，但是要獲取執(zhí)行時(shí)間的話，線程本身是沒(méi)有什么辦法的）。

在這種實(shí)現(xiàn)線程調(diào)度的方式下，線程的執(zhí)行時(shí)間是系統(tǒng)可控的，也不會(huì)有一個(gè)線程導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程阻塞的問(wèn)題。

Java使用的線程調(diào)度方式就是搶占式調(diào)度。在JDK后續(xù)版本中有可能會(huì)提供協(xié)程（Coroutines）方式來(lái)進(jìn)行多任務(wù)處理。

與前面所說(shuō)的Windows 3.x的例子相對(duì)，在Windows 9x/NT內(nèi)核中就是使用搶占式來(lái)實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程的，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程出了問(wèn)題，我們還可以使用任務(wù)管理器把這個(gè)進(jìn)程“殺掉”，而不至于導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

線程優(yōu)先級(jí)

雖然Java線程調(diào)度是系統(tǒng)自動(dòng)完成的，但是我們還是可以“建議”系統(tǒng)給某些線程多分配一點(diǎn)執(zhí)行時(shí)間，另外的一些線程則可以少分配一點(diǎn)——這項(xiàng)操作可以通過(guò)設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)來(lái)完成。

Java語(yǔ)言一共設(shè)置了10個(gè)級(jí)別的線程優(yōu)先級(jí)（Thread.MIN_PRIORITY至Thread.MAX_PRIORITY），在兩個(gè)線程同時(shí)處于Ready狀態(tài)時(shí)，優(yōu)先級(jí)越高的線程越容易被系統(tǒng)選擇執(zhí)行。

不過(guò)，線程優(yōu)先級(jí)并不是太靠譜，原因是Java的線程是通過(guò)映射到系統(tǒng)的原生線程上來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以線程調(diào)度最終還是取決于操作系統(tǒng)，雖然現(xiàn)在很多操作系統(tǒng)都提供線程優(yōu)先級(jí)的概念，但是并不見得能與Java線程的優(yōu)先級(jí)一一對(duì)應(yīng)。

如Solaris中有2147483648（232）種優(yōu)先級(jí)，但Windows中就只有7種，比Java線程優(yōu)先級(jí)多的系統(tǒng)還好說(shuō)，中間留下一點(diǎn)空位就可以了，但比Java線程優(yōu)先級(jí)少的系統(tǒng)，就不得不出現(xiàn)幾個(gè)優(yōu)先級(jí)相同的情況了。

實(shí)現(xiàn)1：繼承Thread類

// 繼承 Threadpublic class MyThread extends Thread {    @Override    public void run() {        System.out.println("MyThread run...");    }}

實(shí)現(xiàn)2：實(shí)現(xiàn) Runnable 接口

public class MyRunnable implements Runnable {    @Override    public void run() {        System.out.println("MyRunnable run...");    }}

實(shí)現(xiàn)3：實(shí)現(xiàn) Callable 接口，使用 FutureTask 獲取異步返回值

  public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {    class MyCallable implements Callable<String> {      @Override      public String call() throws Exception {        return "MyCallable";      }    }    FutureTask<String> task = new FutureTask<>(new MyCallable());    Thread c = new Thread(task);    c.start();    System.out.println(task.get());  }

實(shí)現(xiàn)4：JDK8以上版本使用 CompletableFuture 進(jìn)行異步計(jì)算。

在Java8中，提供了非常強(qiáng)大的Future的擴(kuò)展功能，可以幫助我們簡(jiǎn)化異步編程的復(fù)雜性，并且提供了函數(shù)式編程的能力，可以通過(guò)回調(diào)的方式處理計(jì)算結(jié)果，也提供了轉(zhuǎn)換和組合 CompletableFuture 的方法。

public class CompletableFutureTest {  public static void main(String[] args) {    ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);    // JDK1.8 提供的 CompletableFuture    CompletableFuture<String> futureTask = CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {      @Override      public String get() {        System.out.println("task start");        try {          Thread.sleep(10000);        } catch (Exception e) {          e.printStackTrace();          return "execute failure";        }        System.out.println("task end");        return "execute success";      }    }, threadPool);    // 異步獲取 futureTask 的執(zhí)行結(jié)果，此處代碼可以跟其他流程代碼放在一起    futureTask.thenAccept(e-> System.out.println("future task result:" + e));    System.out.println("main thread end");  }}
輸出結(jié)果：task startmain thread endtask endfuture task result:execute success

實(shí)現(xiàn)5：使用線程池，ThreadPoolExecutor 類。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                          int maximumPoolSize,                          long keepAliveTime,                          TimeUnit unit,                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,                          ThreadFactory threadFactory) {        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue, threadFactory, defaultHandler);}<T> Future<T> submit(Callable<T> task);Future<?> submit(Runnable task);