Java 线程模型

Java 线程

Java 虚拟机规范并没有对 Java 线程的实现进行约束，因此 Java 线程的具体实现由 Java 虚拟机决定。Java 在早期的虚拟机上也使用过用户线程实现，但目前的主流 Java 虚拟机线程模型普遍都使用操作系统原生模型实现。HotSpot 就是将一个 Java 线程映射到一个操作系统原生线程，接下来讲解都是基于 HotSpot 虚拟机的线程实现。关于 Java 新的 Project Loom，读者可自行了解。

不同操作系统的线程概念也不相同，比如 Linux 中线程被当做一个 轻量级进程。每个操作系统线程操作的 API 都不一样，但是 JVM 实现了这一切，为我们屏蔽了这些细节。对于开发者来说，只需要使用 new Thread() 就可以得到一个线程。

这种直接把线程映射到操作系统的操作，使得线程的管理全权交给操作系统，所以何时冻结或唤醒线程、该给线程分配多少处理器执行时间、该把线程安排给哪个处理器核心去执行等，都取决于操作系统。

系统线程调度与 Java 线程调度

首先，需要简单的介绍一下什么是系统调度。线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，线程并不是一直占着处理器的，而是交替使用的。要以什么样的策略去交替使用线程，使得每个线程都能够得到有效执行，就是线程调度方式。

正如上面提到的那样，Java 线程的管理权都交给了操作系统，Java 中的线程调度实际上就是操作系统中的线程调度。因此，这里需要介绍一下操作系统的线程调度方式。

线程调度的方式有两种：协同式线程调度和抢占式线程调度。

协同式线程调度：线程的执行时间交由线程本身控制，当线程执行完自己的工作，会主动通知系统切换到下一个线程上去。它的实现简单，切换操作对与线程是可知的。但是执行时间不可控，倘若一直占有处理器，那么程序就会一直阻塞。

抢占式线程调度：线程执行时间由系统分配。线程的切换不由线程本身决定，在 Java 中有 Thread::yield() 方法让出执行时间，但无法主动获取执行时间。因此，每个线程的执行时间是可控的，不会因为一个线程导致整个系统阻塞的问题。

Java 使用的是抢占式线程调度。尽管无法控制线程的执行时间，但有时还是希望对某些线程多一些执行时间，另外的少一些，这时可以使用线程优先级。

Java 中有 10 个级别的优先级，从 1 ~ 10。两个线程同时处于 Ready 状态，优先级越高的线程越容易被系统选择执行。但使用线程优先级这种方式，并不稳定。由于操作系统也拥有线程优先级，且和 Java 提供的线程优先级并非一一对应，尽管在 Java 中使用不同的优先级，但在操作系统中看来还是同一优先级。

例如：Java 中给线程 A 设置优先级为 6，给线程 B 设置为 7 ，映射到 Windows 中的优先级是THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL，两个线程在系统中都是相同的优先级，调度不会发生改变。

除此之外，在Windows 中存在「优先级推进器」的功能，当一个线程执行的特别频繁时，系统可能会越级去给它分配时间。因此程序不能完全依赖线程优先级，它并不「靠谱」。

Java 线程的生命周期

Java 线程中有 6 总状态，在任意一个时间点，线程只会处于其中一种状态。JDK 源码的 Thread 类中的内部类 State，介绍了这 6 总状态：

• 新建（New）：尚未启动的线程。例：刚 New 出来的线程。
• 运行（Running）：在 Java 虚拟机中执行的线程，线程处于运行状态。
• 阻塞（Blocked）：线程等待监视器锁（monitor lock），所处的状态。
• 无限期等待（Waitting）：处于该状态的线程，不会被处理器分配执行时间。只有被其他线程唤醒之后，才会执行。
• 限期等待（Timed Waitting）：与无限期不同的是，一定时间内没有被唤醒，他会自动唤醒。
• 结束（Terminated）：已终止的线程状态，线程已结束执行。

阻塞与等待状态的区别

拿去医院看病举例。医生科室门口挤满了人，但每次只能有一个人就诊，谁先挤进去谁先就诊，后面的人只能等就诊人出来，这时等待就诊的人处于「阻塞」状态。医院改变就诊方式，只有叫到号的人才能就诊，没有叫到号的人只能一直等，此时等待就诊的人处于「等待」状态。

ThreadLocal

Java 使用 Thread 来表示线程，线程相关的操作 Thread 类都有提供对应的 API。但是想要访问每个线程的局部变量，却需要通过 ThreadLocal 。

那么为什么线程局部变量要通过 ThreadLocal 来访问？

直接使用 Thread 中的局部变量好像也没什么问题，可以在线程启动的时候给他的变量赋值，结束时 JVM 会把线程和变量一起销毁。这种方式当然可行，但是却忽略了线程池管理线程的情况。线程池为了复用线程，不会在线程执行结束后立即销毁，而是在需要时被重复利用，直到线程池关闭。正因为如此，线程局部变量会存在上一次的信息，很容易出出现线程安全，内存泄露问题。

当然，每次使用会线程，进行一个手动清理变量的操作，线程复用就不会有什么问题。但麻烦点就在于清理，手动管理非常麻烦。ThreadLocal 每次使用完也需要进行清理操作，只需要调用 remove 方法即可。

小结

本文讲解了 Java 线程，但是作者心中存在很多疑问：CPU 线程、操作系统线程和 Java 线程之间是什么关系？他们之间是如何协作的？协程又是什么，与线程相比解决了什么问题？Python、Kotlin 是假协程？不同协程实现之间存在什么区别？

对于上面的问题，已经在收集资料开始写了，下一篇博客《线程解惑》正在路上。

参考资料：

• 《深入理解 Java 虚拟机》第三版
• 《Java 并发编程实战》
• ChatGPT
• V2EX