深入理解JVM4-1-高效并发-Java内存模型与线程

JVM PV:

硬件和效率一致性

由于CPU的的运算是需要存储空间的，光是寄存器肯定是远远不够的。但是内存的传递速度远远比CPU的运算速度慢，则需要一个比内存快一些的空间作为CPU运行时数据的临时存储空间。而这个空间就是所谓的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将内存需要使用的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互虽然很好的解决了处理器与内存之间的矛盾，但是也为计算机系统带来了另外一个问题：缓存一致性（Cache Coherence）。

在多路处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享统一主内存（Main Memory）。这种系统称为共享内存多核系统。所以在多个处理器的运算任务都涉及同一块主存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致。为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协 议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly及Dragon Protocol等。

下面是一个基本示意图：

处理器、高速缓存、主内存间的交互关系

Java内存模型

《Java虚拟机规范》中曾试图定义一种“Java内存模型”（Java Memory Model，JMM）来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效 果。在此之前，主流程序语言（如C和C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型。因此，由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，所以在某些场景下必须针对不同的平台来编写程序。

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到 内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。此处的变量（Variables）与Java编程中所说的变量有所区 别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与介绍物理硬件时提到的主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图所示，注意与上图进行对比。

线程、主内存、工作内存三者的交互关系-Java

这里所讲的主内存、工作内存与之前所讲的Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一 个层次的对内存的划分，这两者基本上是没有任何关系的。如果两者一定要勉强对应起来，那么从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说，主内存直接对应于物理硬件的内存，而为了 获取更好的运行速度，虚拟机（或者是硬件、操作系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问的是工作内存。

内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从 工作内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。Java虚拟机实 现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外）：

  • lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
  • unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
  • read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
  • load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
  • use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
  • assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
  • store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
  • write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的 变量中。

如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存：那就要按顺序执行read和load操作。

如果要把变量从 工作内存同步回主内存：就要按顺序执行store和write操作。

注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，但不要求是连续执行。也就是说read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现的顺序是read a、read b、load b、load a。

除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
  • 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
  • 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
  • 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或 assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行assign和load操作。
  • 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
  • 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作以初始化变量的值。
  • 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。

本质上Java底层对多线程变量的共享有以上规则，如果所有开发人员按照上面的逻辑来开发，那可能过于复杂了。因此Java团队将Java内存模型的操作简化为read、write、lock和unlock四种，但这只是语言描述上的等价化简，Java内存模型的基础设计并未改变，即使是这四操作种，对于普通用户来说阅读使用起来仍然并不方便。

对于volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易被正确、完整地理解，以至于许多程序员都习惯去避免使用它，遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用synchronized来进行同步。

当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：

可见性

保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。

值得注意的是：volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的（从物理存储的角度看，各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题）。但是Java里面的运算操作符并非原子操作， 这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁 （使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：

  • 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
  • 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

禁止重排

使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在同一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这就是Java内存模型中描述的所谓“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。

例如：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Map configOptions; 
char[] configText; // 此变量必须定义为volatile 
volatile boolean initialized = false;
// 假设以下代码在线程A中执行 
// 模拟读取配置信息，当读取完成后 
// 将initialized设置为true,通知其他线程配置可用 
configOptions = new HashMap(); 
configText = readConfigFile(fileName); 
processConfigOptions(configText, configOptions); 
initialized = true;
// 假设以下代码在线程B中执行 
// 等待initialized为true，代表线程A已经把配置信息初始化完成 
while (!initialized) {
    sleep();
} // 使用线程A中初始化好的配置信息
doSomethingWithConfig();

代码清单12-4中所示的程序是一段伪代码，其中描述的场景是开发中常见配置读取过程，只是我们在处理配置文件时一般不会出现并发，所以没有察觉这会有问题。试想一下，如果定义 initialized变量时没有使用volatile修饰，就可能会由于指令重排序的优化，导致位于线程A中最后一条 代码“initialized=true”被提前执行（这里虽然使用Java作为伪代码，但所指的重排序优化是机器级的优化操作，提前执行是指这条语句对应的汇编代码被提前执行），这样在线程B中使用配置信息的代码就可能出现错误，而volatile关键字则可以避免此类情况的发生。

性能

在某些情况下，volatile的同步机制的性能确实要优于锁 （使用synchronized关键字或java.util.concurrent包里面的锁），但是由于虚拟机对锁实行的许多消除和 优化，使得我们很难确切地说volatile就会比synchronized快上多少。如果让volatile自己与自己比较，那 可以确定一个原则：volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢上一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。

最后看一下Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则的定义。假定T表示 一个线程，V和W分别表示两个volatile型变量，那么在进行read、load、use、assign、store和write操作时需要满足如下规则：

  • 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候，线程T才能对变量V执行use动作；并且， 只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候，线程T才能对变量V执行load动作。线程T对变量V的use动作可以认为是和线程T对变量V的load、read动作相关联的，必须连续且一起出现。

    这条规则要求在工作内存中，每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V所做的修改。

  • 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign的时候，线程T才能对变量V执行store动作；并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store的时候，线程T才能对变量V执行assign动作。线程T对变量V的assign动作可以认为是和线程T对变量V的store、write动作相关联的，必须连续且一起出现。

    这条规则要求在工作内存中，每次修改V后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以 看到自己对变量V所做的修改。

  • 假定动作A是线程T对变量V实施的use或assign动作，假定动作F是和动作A相关联的load或store动 作，假定动作P是和动作F相应的对变量V的read或write动作；与此类似，假定动作B是线程T对变量W 实施的use或assign动作，假定动作G是和动作B相关联的load或store动作，假定动作Q是和动作G相应的对变量W的read或write动作。如果A先于B，那么P先于Q。

    这条规则要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，从而保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

针对long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这八种操作都具有原子性， 但是对于64位的数据类型（long和double），在模型中特别定义了一条宽松的规定：允许虚拟机将没有 被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现自行选择是否 要保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性，这就是所谓的“long和double的非原子性协定”（Non-Atomic Treatment of double and long Variables）。

如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个既不是原值，也不是其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值。

从JDK 9起， HotSpot增加了一个实验性的参数-XX：+AlwaysAtomicAccesses（这是JEP 188对Java内存模型更新的
一部分内容）来约束虚拟机对所有数据类型进行原子性的访问。

原子性、可见性与有序性

介绍完Java内存模型的相关操作和规则后，我们再整体回顾一下这个模型的特征。Java内存模型是 围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这三个特性。

原子性（Atomicity）

由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个， 我们大致可以认为，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的。

如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java内存模型还提供了lock和 unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更 高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

可见性（Visibility）

可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。

Java内存模型中的volatile关键词是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是 普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值 能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是synchronized和final。

  • 同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）”这条规则获得的。
  • 而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完 成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去，那么在其他线程中就能看见final字段的值。

有序性（Ordering）

Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。

前半句是指“线程内似表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性：

  • volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义。
  • 而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

先行发生原则

如果Java内存模型中所有的有序性都仅靠volatile和synchronized来完成，那么有很多操作都将会变得非常啰嗦，但是我们在编写Java并发代码的时候并没有察觉到这一点，这是因为Java语言中有一个“先行发生”（Happens-Before）的原则。

这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用的手段。

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，比如说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已 经存在，可以在编码中直接使用。

  • 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
  • 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这 里必须强调的是“同一个锁”，而“后面”是指时间上的先后。
  • volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后。
  • 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
  • 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检 测，我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。
  • 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程 的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。
  • 对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize()方法的开始。
  • 传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出 操作A先行发生于操作C的结论。

Java与线程

线程的实现

我们知道，线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度。目前线程是Java里面进行处理器资源调度的最基本单位，不过如果日后Loom项目能成功为Java引入纤程（Fiber）的话，可能就会改变这一点。

主流的操作系统都提供了线程实现，Java语言则提供了在不同硬件和操作系统平台下对线程操作 的统一处理，每个已经调用过start()方法且还未结束的java.lang.Thread类的实例就代表着一个线程。我 们注意到Thread类与大部分的Java类库API有着显著差别，它的所有关键方法都被声明为Native。在Java类库API中，一个Native方法往往就意味着这个方法没有使用或无法使用平台无关的手段来实现。

实现线程主要有三种方式：

  • 使用内核线程实现（1：1实现）。
  • 使用用户线程实现（1：N实现）。
  • 使用用户线程加轻量级进程混合实现（N：M实现）。

内核线程实现

使用内核线程实现的方式也被称为1：1实现。内核线程（Kernel-Level Thread，KLT）就是直接由操作系统内核（Kernel，下称内核）支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操纵调度器（Scheduler）对线程进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上。每个内核线程可以视为内核的一个分身，这样操作系统就有能力同时处理多件事情，支持多线程的内核就称为多线程内核（Multi-Threads Kernel）。

程序一般不会直接使用内核线程，而是使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（Light Weight Process，LWP），轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程，由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。这种轻量级进程与内核线程之间1：1的关系称为一对一的线程模型，如图所示。

轻量级进程与内核线程之间1：1的关系

由于内核线程的支持，每个轻量级进程都成为一个独立的调度单元，即使其中某一个轻量级进程 在系统调用中被阻塞了，也不会影响整个进程继续工作。轻量级进程也具有它的局限性：

  • 由于 是基于内核线程实现的，所以各种线程操作，如创建、析构及同步，都需要进行系统调用。而系统调
    用的代价相对较高，需要在用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换。
  • 每个 轻量级进程都需要有一个内核线程的支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈
    空间），因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。

用户线程实现

使用用户线程实现的方式被称为1：N实现。广义上来讲，一个线程只要不是内核线程，都可以认为是用户线程（User Thread，UT）的一种，因此从这个定义上看，轻量级进程也属于用户线程，但轻 量级进程的实现始终是建立在内核之上的，许多操作都要进行系统调用，因此效率会受到限制，并不具备通常意义上的用户线程的优点。

而狭义上的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到用户线程的存在及如何实现的。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要内核的帮助。其模型如图：

进程与用户线程之间1：N的关系

优点

因此其消耗也是非常低的，也能够支持 规模更大的线程数量，部分高性能数据库中的多线程就是由用户线程实现的。

缺点

劣势也在于没有系统内核的支援，所有的线程操作都 需要由用户程序自己去处理。

混合实现

线程除了依赖内核线程实现和完全由用户程序自己实现之外，还有一种将内核线程与用户线程一起使用的实现方式，被称为N：M实现。在这种混合实现下，既存在用户线程，也存在轻量级进程。 用户线程还是完全建立在用户空间中，因此用户线程的创建、切换、析构等操作依然廉价，并且可以支持大规模的用户线程并发。而操作系统支持的轻量级进程则作为用户线程和内核线程之间的桥梁， 这样可以使用内核提供的线程调度功能及处理器映射，并且用户线程的系统调用要通过轻量级进程来完成，这大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。其模型如图：

用户线程与轻量级进程之间M：N的关系

Java线程的实现

Java线程如何实现并不受Java虚拟机规范的约束，这是一个与具体虚拟机相关的话题。Java线程在 早期的Classic虚拟机上（JDK 1.2以前），是基于一种被称为“绿色线程”（Green Threads）的用户线程 实现的，但从JDK 1.3起，“主流”平台上的“主流”商用Java虚拟机的线程模型普遍都被替换为基于操作系统原生线程模型来实现，即采用1：1的线程模型。

以HotSpot为例，它的每一个Java线程都是直接映射到一个操作系统原生线程来实现的，而且中间 没有额外的间接结构，所以HotSpot自己是不会去干涉线程调度的（可以设置线程优先级给操作系统提供调度建议），全权交给底下的操作系统去处理，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，都是由操作系统完成的，也都是由操作系统全权决定的。

当然也有例外的情况，如用 于Java ME的CLDC HotSpot Implementation，它同时支持两种线程模 型，默认使用1：N由用户线程实现的线程模型，所有Java线程都映射到一个内核线程上；不过它也可 以使用另一种特殊的混合模型，Java线程仍然全部映射到一个内核线程上，但当Java线程要执行一个阻 塞调用时，CLDC-HI会为该调用单独开一个内核线程，并且调度执行其他Java线程，等到那个阻塞调用完成之后再重新调度之前的Java线程继续执行。

另外一个例子是在Solaris平台的HotSpot虚拟机，由于操作系统的线程特性本来就可以同时支持 1：1（通过Bound Threads或Alternate Libthread实现）及N：M（通过LWP/Thread Based Synchronization 实现）的线程模型，因此Solaris版的HotSpot也对应提供了两个平台专有的虚拟机参数，即-XX： +UseLWPSynchronization（默认值）和-XX：+UseBoundThreads来明确指定虚拟机使用哪种线程模型。

Java线程调度

线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，调度主要方式有两种，分别是：

  • 协同式 （Cooperative Threads-Scheduling）线程调度。
  • 抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度。

如果使用协同式调度的多线程系统，线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行 完了之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上去。优点就是实现简单，什么都由自己控制；缺点也很明显，线程执行时间不可控 制，甚至如果一个线程的代码编写有问题，一直不告知系统进行线程切换，那么程序就会一直阻塞在那里。

如果使用抢占式调度的多线程系统，那么每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线 程本身来决定。优点就是线程的执行时间是系统可控的，不会有一个线程导致整个进程甚至整个系统阻塞的问题。

虽然说Java线程调度是系统自动完成的，但是我们仍然可以“建议”操作系统给某些线程多分配一 点执行时间，另外的一些线程则可以少分配一点——这项操作是通过设置线程优先级来完成的。Java 语言一共设置了10个级别的线程优先级（Thread.MIN_PRIORITY至Thread.MAX_PRIORITY）。在两个线程同时处于Ready状态时，优先级越高的线程越容易被系统选择执行。

但线程优先级并不是一项稳定的调节手段，很显然因为主流虚拟机上的Java线程是被映射到 系统的原生线程上来实现的，所以线程调度最终还是由操作系统说了算。尽管现代的操作系统基本都 提供线程优先级的概念，但是并不见得能与Java线程的优先级一一对应，如Solaris中线程有2147483648（2的31次幂）种优先级，但Windows中就只有七种优先级。如果操作系统的优先级比Java 线程优先级更多，那问题还比较好处理，中间留出一点空位就是了，但对于比Java线程优先级少的系统，就不得不出现几个线程优先级对应到同一个操作系统优先级的情况了。例如，在Windows下，设置线程优先级为1和2、3 和4、6和7、8和9的效果是完全相同的。

Java线程优先级与Windows线程优先级之间的对应关系

状态转换

Java语言定义了6种线程状态，在任意一个时间点中，一个线程只能有且只有其中的一种状态，并 且可以通过特定的方法在不同状态之间转换。这6种状态分别是：

  • 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态。
  • 运行（Runnable）：包括操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可 能正在执行，也有可能正在等待着操作系统为它分配执行时间。
  • 无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配处理器执行时间，它们要等待被其他线 程显式唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态：
    • 没有设置Timeout参数的Object::wait()方法；
    • 没有设置Timeout参数的Thread::join()方法；
    • LockSupport::park()方法。
  • 限期等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被分配处理器执行时间，不过无须等待 被其他线程显式唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状
    态：
    • Thread::sleep()方法；
    • 设置了Timeout参数的Object::wait()方法；
    • 设置了Timeout参数的Thread::join()方法；
    • LockSupport::parkNanos()方法；
    • LockSupport::parkUntil()方法。
  • 阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是“阻塞状态”在等待着获取到 一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而“等待状态”则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。
  • 结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。

其转换关系如图：

线程状态转换关系

Powered by Hexo and Hexo-theme-hiker

Copyright © 2019 - 2024 My Wonderland All Rights Reserved.

UV : | PV :