Java 線(xiàn)程和操作系統的線(xiàn)程有啥區別？

想看解釋的小伙伴可直接翻到文末尋找答案。

1. 用戶(hù)空間和內核空間

關(guān)于內核態(tài)和用戶(hù)態(tài)我們在 了解操作系統的那些事兒，從這篇文章開(kāi)始 這篇文章中已經(jīng)詳細介紹過(guò)，這里不再過(guò)多贅述。

至于什么是系統空間和用戶(hù)空間也非常好理解：在操作系統中，內存通常會(huì )被分成用戶(hù)空間（User space）與內核空間（Kernel space）這兩個(gè)部分。當進(jìn)程/線(xiàn)程運行在用戶(hù)空間時(shí)就處于用戶(hù)態(tài)，運行在內核空間時(shí)就處于內核態(tài)：

• 運行在內核態(tài)的程序可以訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)空間和內核空間，或者說(shuō)它可以訪(fǎng)問(wèn)計算機的任何資源，不受限制，為所欲為，例如協(xié)調 CPU 資源，分配內存資源，提供穩定的環(huán)境供應用程序運行等
• 而應用程序基本都是運行在用戶(hù)態(tài)的，或者說(shuō)用戶(hù)態(tài)就是提供應用程序運行的空間。運行在用戶(hù)態(tài)的程序只能訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)空間

那為什么要區分用戶(hù)態(tài)和內核態(tài)呢？

其實(shí)早期操作系統是不區分用戶(hù)態(tài)和內核態(tài)的，也就是說(shuō)應用程序可以訪(fǎng)問(wèn)任意內存空間，如果程序不穩定常常會(huì )讓系統崩潰，比如清除了操作系統的內存數據。為此大佬們設計出了一套規則：對于那些比較危險的操作需要切到內核態(tài)才能運行，比如 CPU、內存、設備等資源管理器程序就應該在內核態(tài)運行，否則安全性沒(méi)有保證。

舉個(gè)例子，對于文件系統和數據來(lái)說(shuō)，文件系統數據和管理就必須放在內核態(tài)，但是用戶(hù)的數據和管理可以放在用戶(hù)態(tài)。

用戶(hù)態(tài)的程序不能隨意操作內核地址空間，這樣有效地防止了操作系統程序受到應用程序的侵害。

那如果處于用戶(hù)態(tài)的程序想要訪(fǎng)問(wèn)內核空間的話(huà)怎么辦呢？就需要進(jìn)行系統調用從用戶(hù)態(tài)切換到內核態(tài)。

在早期的操作系統中，所有的線(xiàn)程都是在用戶(hù)空間下實(shí)現的，操作系統只能看到線(xiàn)程所屬的進(jìn)程，而不能看到線(xiàn)程。

從我們開(kāi)發(fā)者的角度來(lái)理解用戶(hù)級線(xiàn)程就是說(shuō)：在這種模型下，我們需要自己定義線(xiàn)程的數據結構、創(chuàng )建、銷(xiāo)毀、調度和維護等，這些線(xiàn)程運行在操作系統的某個(gè)進(jìn)程內，然后操作系統直接對進(jìn)程進(jìn)行調度。

這種方式的好處一目了然，首先第一點(diǎn)，就是即使操作系統原生不支持線(xiàn)程，我們也可以通過(guò)庫函數來(lái)支持線(xiàn)程；第二點(diǎn)，線(xiàn)程的調度只發(fā)生在用戶(hù)態(tài)，避免了操作系統從內核態(tài)到用戶(hù)態(tài)的轉換開(kāi)銷(xiāo)。

當然缺點(diǎn)也很明顯：由于操作系統看不見(jiàn)線(xiàn)程，不知道線(xiàn)程的存在，而 CPU 的時(shí)間片切換是以進(jìn)程為維度的，所以如果進(jìn)程中某個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行了耗時(shí)比較長(cháng)的操作，那么由于用戶(hù)空間中沒(méi)有時(shí)鐘中斷機制，就會(huì )導致此進(jìn)程中的其它線(xiàn)程因為得不到 CPU 資源而長(cháng)時(shí)間的持續等待；另外，如果某個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行系統調用時(shí)比如缺頁(yè)中斷而導致了線(xiàn)程阻塞，此時(shí)操作系統也會(huì )阻塞住整個(gè)進(jìn)程，即使這個(gè)進(jìn)程中其它線(xiàn)程還在工作。

所謂內核級線(xiàn)程就是運行在內核空間的線(xiàn)程， 直接由內核負責，只能由內核來(lái)完成線(xiàn)程的調度。

幾乎所有的現代操作系統，包括 Windows、Linux、Mac OS X 和 Solaris 等，都支持內核線(xiàn)程。

每個(gè)內核線(xiàn)程可以視為內核的一個(gè)分身，這樣操作系統就有能力同時(shí)處理多件事情，支持多線(xiàn)程的內核就叫做多線(xiàn)程內核（Multi-Threads Kernel）。

從我們開(kāi)發(fā)者的角度來(lái)理解內核級線(xiàn)程就是說(shuō)：我們可以直接使用操作系統中已經(jīng)內置好的線(xiàn)程，線(xiàn)程的創(chuàng )建、銷(xiāo)毀、調度和維護等，都是直接由操作系統的內核來(lái)實(shí)現，我們只需要使用系統調用就好了，不需要像用戶(hù)級線(xiàn)程那樣自己設計線(xiàn)程調度等。

上圖畫(huà)的是 1：1 的線(xiàn)程模型，所謂線(xiàn)程模型，也就是用戶(hù)線(xiàn)程和內核線(xiàn)程之間的關(guān)聯(lián)方式，線(xiàn)程模型當然不止 1：1 這一種，下面我們來(lái)詳細解釋以下這三種多線(xiàn)程模型：

下文翻譯自 https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/4_Threads.html

1）多對一線(xiàn)程模型：

• 在多對一模型中，多個(gè)用戶(hù)級線(xiàn)程映射到某一個(gè)內核線(xiàn)程上
• 線(xiàn)程管理由用戶(hù)空間中的線(xiàn)程庫處理，這非常有效
• 但是，如果進(jìn)行了阻塞系統調用，那么即使其他用戶(hù)線(xiàn)程能夠繼續，整個(gè)進(jìn)程也會(huì )阻塞
• 由于單個(gè)內核線(xiàn)程只能在單個(gè) CPU 上運行，因此多對一模型不允許在多個(gè) CPU 之間拆分單個(gè)進(jìn)程

從并發(fā)性角度來(lái)總結下，雖然多對一模型允許開(kāi)發(fā)人員創(chuàng )建任意多的用戶(hù)線(xiàn)程，但是由于內核只能一次調度一個(gè)線(xiàn)程，所以并未增加并發(fā)性?，F在已經(jīng)幾乎沒(méi)有操作系統來(lái)使用這個(gè)模型了，因為它無(wú)法利用多個(gè)處理核。

2）一對一線(xiàn)程模型：

• 一對一模型克服了多對一模型的問(wèn)題
• 一對一模型創(chuàng )建一個(gè)單獨的內核線(xiàn)程來(lái)處理每個(gè)用戶(hù)線(xiàn)程
• 但是，管理一對一模型的開(kāi)銷(xiāo)更大，涉及更多開(kāi)銷(xiāo)和減慢系統速度
• 此模型的大多數實(shí)現都限制了可以創(chuàng )建的線(xiàn)程數

從并發(fā)性角度來(lái)總結下，雖然一對一模型提供了更大的并發(fā)性，但是開(kāi)發(fā)人員應注意不要在應用程序內創(chuàng )建太多線(xiàn)程（有時(shí)系統可能會(huì )限制創(chuàng )建線(xiàn)程的數量），因為管理一對一模型的開(kāi)銷(xiāo)更大。Windows (從 Win95 開(kāi)始) 和 Linux 都實(shí)現了線(xiàn)程的一對一模型。

3）多對多線(xiàn)程模型：

• 多對多模型將任意數量的用戶(hù)線(xiàn)程復用到相同或更少數量的內核線(xiàn)程上，結合了一對一和多對一模型的最佳特性
• 用戶(hù)對創(chuàng )建的線(xiàn)程數沒(méi)有限制
• 阻止內核系統調用不會(huì )阻止整個(gè)進(jìn)程
• 進(jìn)程可以分布在多個(gè)處理器上
• 可以為各個(gè)進(jìn)程分配可變數量的內核線(xiàn)程，具體取決于存在的 CPU 數量和其他因素

在進(jìn)入 Java 線(xiàn)程主題之前，有必要講解一下線(xiàn)程庫 Thread library 的概念。

在上面的模型介紹中，我們提到了通過(guò)線(xiàn)程庫來(lái)創(chuàng )建、管理線(xiàn)程，那么什么是線(xiàn)程庫呢？

線(xiàn)程庫就是為開(kāi)發(fā)人員提供創(chuàng )建和管理線(xiàn)程的一套 API。

當然，線(xiàn)程庫不僅可以在用戶(hù)空間中實(shí)現，還可以在內核空間中實(shí)現。前者涉及僅在用戶(hù)空間內實(shí)現的 API 函數，沒(méi)有內核支持。后者涉及系統調用，也就是說(shuō)調用庫中的一個(gè) API 函數將會(huì )導致對內核的系統調用，并且需要具有線(xiàn)程庫支持的內核。

下面簡(jiǎn)單介紹下三個(gè)主要的線(xiàn)程庫：

1）POSIX Pthreads：可以作為用戶(hù)或內核庫提供，作為 POSIX 標準的擴展

2）Win32 線(xiàn)程：用于 Window 操作系統的內核級線(xiàn)程庫

3）Java 線(xiàn)程：Java 線(xiàn)程 API 通常采用宿主系統的線(xiàn)程庫來(lái)實(shí)現，也就是說(shuō)在 Win 系統上，Java 線(xiàn)程 API 通常采用 Win API 來(lái)實(shí)現，在 UNIX 類(lèi)系統上，采用 Pthread 來(lái)實(shí)現。

下面我們來(lái)詳細講解 Java 線(xiàn)程：

事實(shí)上，在 JDK 1.2 之前，Java 線(xiàn)程是基于稱(chēng)為 "綠色線(xiàn)程"（Green Threads）的用戶(hù)級線(xiàn)程實(shí)現的，也就是說(shuō)程序員大佬們?yōu)?JVM 開(kāi)發(fā)了自己的一套線(xiàn)程庫或者說(shuō)線(xiàn)程管理機制。

而在 JDK 1.2 及以后，JVM 選擇了更加穩定且方便使用的操作系統原生的內核級線(xiàn)程，通過(guò)系統調用，將線(xiàn)程的調度交給了操作系統內核。而對于不同的操作系統來(lái)說(shuō)，它們本身的設計思路基本上是完全不一樣的，因此它們各自對于線(xiàn)程的設計也存在種種差異，所以 JVM 中明確聲明了：虛擬機中的線(xiàn)程狀態(tài)，不反應任何操作系統中的線(xiàn)程狀態(tài)。

也就是說(shuō)，在 JDK 1.2 及之后的版本中，Java 的線(xiàn)程很大程度上依賴(lài)于操作系統采用什么樣的線(xiàn)程模型，這點(diǎn)在不同的平臺上沒(méi)有辦法達成一致，JVM 規范中也并未限定 Java 線(xiàn)程需要使用哪種線(xiàn)程模型來(lái)實(shí)現，可能是一對一，也可能是多對多或多對一。

總結來(lái)說(shuō)，回答下文題，現今 Java 中線(xiàn)程的本質(zhì)，其實(shí)就是操作系統中的線(xiàn)程，其線(xiàn)程庫和線(xiàn)程模型很大程度上依賴(lài)于操作系統（宿主系統）的具體實(shí)現，比如在 Windows 中 Java 就是基于 Wind32 線(xiàn)程庫來(lái)管理線(xiàn)程，且 Windows 采用的是一對一的線(xiàn)程模型。