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摘要：線(xiàn)程的可能實(shí)現(xiàn)方式基本上主流的操作系統(tǒng)都支持線(xiàn)程，也提供了線(xiàn)程的實(shí)現(xiàn)。使用用戶(hù)線(xiàn)程和內(nèi)核線(xiàn)程混合實(shí)現(xiàn)在這種混合實(shí)現(xiàn)下，既存在用戶(hù)線(xiàn)程，也存在內(nèi)核線(xiàn)程。
進(jìn)程與線(xiàn)程
在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，最核心的概念是“進(jìn)程”，進(jìn)程是對(duì)正在運(yùn)行的程序的一個(gè)抽象。
進(jìn)程的存在讓“并行”成為了可能，在一個(gè)操作系統(tǒng)中，允許運(yùn)行著多個(gè)進(jìn)程，這些進(jìn)程“看起來(lái)”是同時(shí)在運(yùn)行的。
如果我們的計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行著 web 瀏覽器、電子郵件客戶(hù)端、即時(shí)通訊軟件例如QQ微信等多個(gè)進(jìn)程，我們感覺(jué)這些進(jìn)程都是同時(shí)在運(yùn)行的，假設(shè)這臺(tái)計(jì)算機(jī)搭配的是多個(gè) CPU 或者 多核 CPU，那么這種多個(gè)進(jìn)程并行的現(xiàn)象可能一點(diǎn)也不奇怪，完全可以為每個(gè)進(jìn)程多帶帶分配一個(gè) CPU，這樣就實(shí)現(xiàn)了多進(jìn)程并行。
然而事實(shí)上，在計(jì)算機(jī)只有一個(gè) CPU 的情況下，它也能給人類(lèi)一種感覺(jué)：多個(gè)進(jìn)程同時(shí)在運(yùn)行。但人類(lèi)的感覺(jué)往往是比較模糊的，不精確的。事實(shí)是由于 CPU 的計(jì)算速度非常地快，它能快速地在各個(gè)進(jìn)程之間切換，在某一瞬間，CPU 只能運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，但一秒鐘之內(nèi)，它就能通過(guò)快速切換，讓人產(chǎn)生多個(gè)進(jìn)程同時(shí)在運(yùn)行的錯(cuò)覺(jué)。
在操作系統(tǒng)中，為什么在進(jìn)程的基礎(chǔ)上，又衍生出了線(xiàn)程的概念呢？
由于對(duì)于一些進(jìn)程而言，它內(nèi)部會(huì)發(fā)生多種活動(dòng)，有些活動(dòng)可能會(huì)在某個(gè)時(shí)間里阻塞，有些活動(dòng)不會(huì)，如果通過(guò)線(xiàn)程將這些活動(dòng)分離開(kāi)使它們能夠并行地運(yùn)行，則設(shè)計(jì)程序的時(shí)候會(huì)更加簡(jiǎn)單。
線(xiàn)程比進(jìn)程的創(chuàng)建更加輕量級(jí)，性能消耗更少
如果一個(gè)進(jìn)程既需要 CPU 計(jì)算，也需要I/O處理，擁有多線(xiàn)程允許這些活動(dòng)重疊進(jìn)行，加快整個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行速度。
每一個(gè)進(jìn)程在操作系統(tǒng)中都擁有獨(dú)立的一塊內(nèi)存地址空間，該進(jìn)程創(chuàng)建的所有線(xiàn)程共享這塊內(nèi)存，支持多線(xiàn)程的操作系統(tǒng)，會(huì)讓線(xiàn)程作為 CPU 調(diào)度的最小單位。CPU 的時(shí)間片在不同的線(xiàn)程之間進(jìn)行分配。
線(xiàn)程的可能實(shí)現(xiàn)方式基本上主流的操作系統(tǒng)都支持線(xiàn)程，也提供了線(xiàn)程的實(shí)現(xiàn)。而 Java 語(yǔ)言為了應(yīng)對(duì)不同硬件和操作系統(tǒng)的差異，提供了對(duì)線(xiàn)程操作的統(tǒng)一抽象，在 Java 中我們使用 Thread 類(lèi)來(lái)代表一個(gè)線(xiàn)程。
Thread 的具體實(shí)現(xiàn)可能會(huì)有不同的實(shí)現(xiàn)方式：
內(nèi)核線(xiàn)程是操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線(xiàn)程，在內(nèi)核中有一個(gè)線(xiàn)程表用來(lái)記錄系統(tǒng)中的所有線(xiàn)程，創(chuàng)建或者銷(xiāo)毀一個(gè)線(xiàn)程時(shí)，都需要涉及到系統(tǒng)調(diào)用，然后再內(nèi)核中對(duì)線(xiàn)程表進(jìn)行更新操作。對(duì)內(nèi)核線(xiàn)程的阻塞以及其它操作，都涉及到系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用的代價(jià)都比較大，涉及到在用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的來(lái)回切換。此外，內(nèi)核內(nèi)部有線(xiàn)程調(diào)度器，用于決定應(yīng)該將 CPU 時(shí)間片分配個(gè)哪個(gè)線(xiàn)程。
程序一般不會(huì)直接操作內(nèi)核線(xiàn)程，而是使用內(nèi)核線(xiàn)程的一種高級(jí)接口，輕量級(jí)進(jìn)程。輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線(xiàn)程之間的關(guān)系是 1：1，每一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程內(nèi)部都有一個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程支持。
上圖中， LWP 指 Light Weight Process，即輕量級(jí)進(jìn)程；KLT 指 Kernel Level Thread，即內(nèi)核線(xiàn)程。
使用用戶(hù)線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)用戶(hù)線(xiàn)程是程序或者編程語(yǔ)言自己實(shí)現(xiàn)的線(xiàn)程庫(kù)，系統(tǒng)內(nèi)核無(wú)法感知到這些線(xiàn)程的存在。用戶(hù)線(xiàn)程的建立、同步、銷(xiāo)毀和調(diào)度，都在用戶(hù)態(tài)中完成，無(wú)須內(nèi)核的幫助，不需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，這樣的好處是對(duì)于線(xiàn)程的操作是非常高效的。在這種情況下，進(jìn)程和用戶(hù)線(xiàn)程的比例是 1 ：N。
用戶(hù)態(tài)線(xiàn)程面對(duì)如何阻塞線(xiàn)程時(shí)，會(huì)面臨困難，阻塞一個(gè)用戶(hù)態(tài)線(xiàn)程會(huì)出現(xiàn)把整個(gè)進(jìn)程都阻塞的情況，多線(xiàn)程也就失去了意義。因?yàn)槿鄙賰?nèi)核的支持，所以很多需要利用內(nèi)核才能完成的工作，例如阻塞與喚醒線(xiàn)程、多 CPU 環(huán)境下線(xiàn)程的映射等，都需要用戶(hù)程序去實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)異常困難。
使用用戶(hù)線(xiàn)程和內(nèi)核線(xiàn)程混合實(shí)現(xiàn)在這種混合實(shí)現(xiàn)下，既存在用戶(hù)線(xiàn)程，也存在內(nèi)核線(xiàn)程。用戶(hù)態(tài)線(xiàn)程的創(chuàng)建、切換這些操作依然很高效，并且用戶(hù)態(tài)實(shí)現(xiàn)的線(xiàn)程，比較容易加大線(xiàn)程的規(guī)模。需要操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的功能，則通過(guò)內(nèi)核線(xiàn)程來(lái)做到，例如映射到不同的處理器上、處理線(xiàn)程的阻塞與喚醒以及內(nèi)核線(xiàn)程的調(diào)度等。這種實(shí)現(xiàn)依然會(huì)使用到輕量級(jí)進(jìn)程 LWP，它是用戶(hù)線(xiàn)程和內(nèi)核線(xiàn)程之間的橋梁。
Java 線(xiàn)程的實(shí)現(xiàn)在 JDK1.2 之前， Java 的線(xiàn)程是使用用戶(hù)線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)的，在 JDK1.2 之后，Java 才采用操作系統(tǒng)原生支持的線(xiàn)程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，Java 線(xiàn)程模型的實(shí)現(xiàn)方式，主要取決于操作系統(tǒng)。對(duì)于 Oracle JDK 來(lái)說(shuō)，在 Windows 和 Linux 上的線(xiàn)程模型是采用一對(duì)一的方式實(shí)現(xiàn)的，即一條 Java 線(xiàn)程映射到一條輕量級(jí)進(jìn)程(內(nèi)核線(xiàn)程)。而在 Solaris 平臺(tái)中，Java 則支持 1 ：1 和 N : M 的線(xiàn)程模型。
線(xiàn)程的阻塞與等待Java 中的線(xiàn)程的狀態(tài)有以下幾種：New，Runnable，Waiting， TimedWaiting， Blocked，Terminated。
NEW：線(xiàn)程初創(chuàng)建，未運(yùn)行
RUNNABLE：線(xiàn)程正在運(yùn)行，但不一定消耗 CPU
BLOCKED：線(xiàn)程正在等待另外一個(gè)線(xiàn)程釋放鎖
WAITING：線(xiàn)程執(zhí)行了 wait, join, LockSupport.park() 方法
TIMED_WAITING：線(xiàn)程調(diào)用了sleep, wait, join, LockSupport.parkNanos() 等方法，與 WAITING 狀態(tài)不同的是，這些方法帶有表示時(shí)間的參數(shù)。
其中 Blocked 和 Waiting 有個(gè)重要的區(qū)別是，阻塞（Blocked）狀態(tài)的線(xiàn)程在等待獲取一個(gè)排他鎖，例如線(xiàn)程在等待進(jìn)入一個(gè)synchronized關(guān)鍵字包圍的臨界區(qū)時(shí)，就進(jìn)入 Blocked 狀態(tài)。而 Waiting 狀態(tài)則是在等待被喚醒，或者等待一段時(shí)間。
參考資料《深入理解 Java 虛擬機(jī)》第二版 - 周志明
《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》第四版 - Andrew S. Tanenbaum
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