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。