死磕 java線程系列之線程模型

問題

（1）線程有哪些類型？

（2）線程模型有哪些？

（3）各語言是怎么實現(xiàn)自己的線程模型的？

簡介

在Java中，我們平時所說的并發(fā)編程、多線程、共享資源等概念都是與線程相關(guān)的，這里所說的線程實際上應(yīng)該叫作“用戶線程”，而對應(yīng)到操作系統(tǒng)，還有另外一種線程叫作“內(nèi)核線程”。

用戶線程位于內(nèi)核之上，它的管理無需內(nèi)核支持；而內(nèi)核線程由操作系統(tǒng)來直接支持與管理。幾乎所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)，包括 Windows、Linux、Mac OS X 和 Solaris，都支持內(nèi)核線程。

最終，用戶線程和內(nèi)核線程之間必然存在某種關(guān)系，本章我們一起來學(xué)習(xí)下建立這種關(guān)系常見的三種方法：多對一模型、一對一模型和多對多模型。

多對一模型

多對一線程模型，又叫作用戶級線程模型，即多個用戶線程對應(yīng)到同一個內(nèi)核線程上，線程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步的所有細(xì)節(jié)全部由進(jìn)程的用戶空間線程庫來處理。

優(yōu)點(diǎn)：

• 用戶線程的很多操作對內(nèi)核來說都是透明的，不需要用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的頻繁切換，使線程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步等非常快；

缺點(diǎn)：

• 由于多個用戶線程對應(yīng)到同一個內(nèi)核線程，如果其中一個用戶線程阻塞，那么該其他用戶線程也無法執(zhí)行；

• 內(nèi)核并不知道用戶態(tài)有哪些線程，無法像內(nèi)核線程一樣實現(xiàn)較完整的調(diào)度、優(yōu)先級等；

許多語言實現(xiàn)的協(xié)程庫基本上都屬于這種方式，比如python的gevent。

一對一模型

一對一模型，又叫作內(nèi)核級線程模型，即一個用戶線程對應(yīng)一個內(nèi)核線程，內(nèi)核負(fù)責(zé)每個線程的調(diào)度，可以調(diào)度到其他處理器上面。

優(yōu)點(diǎn)：

• 實現(xiàn)簡單，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)；

缺點(diǎn)：

• 對用戶線程的大部分操作都會映射到內(nèi)核線程上，引起用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的頻繁切換；

• 內(nèi)核為每個線程都映射調(diào)度實體，如果系統(tǒng)出現(xiàn)大量線程，會對系統(tǒng)性能有影響；

Java使用的就是一對一線程模型，所以在Java中啟一個線程要謹(jǐn)慎。

多對多模型

多對多模型，又叫作兩級線程模型，它是博采眾長之后的產(chǎn)物，充分吸收前兩種線程模型的優(yōu)點(diǎn)且盡量規(guī)避它們的缺點(diǎn)。

在此模型下，用戶線程與內(nèi)核線程是多對多（m : n，通常m>=n）的映射模型。

首先，區(qū)別于多對一模型，多對多模型中的一個進(jìn)程可以與多個內(nèi)核線程關(guān)聯(lián)，于是進(jìn)程內(nèi)的多個用戶線程可以綁定不同的內(nèi)核線程，這點(diǎn)和一對一模型相似；

其次，又區(qū)別于一對一模型，它的進(jìn)程里的所有用戶線程并不與內(nèi)核線程一一綁定，而是可以動態(tài)綁定內(nèi)核線程， 當(dāng)某個內(nèi)核線程因為其綁定的用戶線程的阻塞操作被內(nèi)核調(diào)度讓出CPU時，其關(guān)聯(lián)的進(jìn)程中其余用戶線程可以重新與其他內(nèi)核線程綁定運(yùn)行。

所以，多對多模型既不是多對一模型那種完全靠自己調(diào)度的也不是一對一模型完全靠操作系統(tǒng)調(diào)度的，而是中間態(tài)（自身調(diào)度與系統(tǒng)調(diào)度協(xié)同工作），因為這種模型的高度復(fù)雜性，操作系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)者一般不會使用，所以更多時候是作為第三方庫的形式出現(xiàn)。

優(yōu)點(diǎn)：

• 兼具多對一模型的輕量；

• 由于對應(yīng)了多個內(nèi)核線程，則一個用戶線程阻塞時，其他用戶線程仍然可以執(zhí)行；

• 由于對應(yīng)了多個內(nèi)核線程，則可以實現(xiàn)較完整的調(diào)度、優(yōu)先級等；

缺點(diǎn)：

• 實現(xiàn)復(fù)雜，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)；

Go語言中的goroutine調(diào)度器就是采用的這種實現(xiàn)方案，在Go語言中一個進(jìn)程可以啟動成千上萬個goroutine，這也是其出道以來就自帶“高并發(fā)”光環(huán)的重要原因。

后面講到Java中的ForkJoinPool的時候，我們會拿Go語言的PMG線程模型來對比講解。

總結(jié)

（1）線程分為用戶線程和內(nèi)核線程；

（2）線程模型有多對一模型、一對一模型、多對多模型；

（3）操作系統(tǒng)一般只實現(xiàn)到一對一模型；

（4）Java使用的是一對一線程模型，所以它的一個線程對應(yīng)于一個內(nèi)核線程，調(diào)度完全交給操作系統(tǒng)來處理；

（5）Go語言使用的是多對多線程模型，這也是其高并發(fā)的原因，它的線程模型與Java中的ForkJoinPool非常類似；

（6）python的gevent使用的是多對一線程模型；

彩蛋

你所學(xué)過的語言都是使用的什么線程模型呢？