【并发任务调度】01. 线程基础

fangwei (59)in #study • 3 months ago

在当今高度并发的应用环境中，线程管理对于构建高效、响应迅速的系统至关重要。Java 语言的线程模型不断演进，从最初的用户线程到现在的内核线程映射，并在 Java 21 中引入了虚拟线程，旨在提升并发处理能力和资源利用率。本文将概述 Java 线程的不同实现方式，探讨虚拟线程如何通过轻量级设计优化阻塞任务的处理，并对比操作系统与 Java 层面的线程状态模型，为开发者提供实用的并发编程指导。

1 线程模型

1.1 线程映射方式

线程其实是操作系统层面的实体，任何语言实现线程主要有三种方式：

内核线程实现（1:1实现）：每个Java线程直接映射到一个操作系统线程，由操作系统负责线程的调度和管理。这种方式的好处在于调度简单且可靠，但创建和销毁线程的成本较高。
用户线程实现（1:N实现）：完全在用户空间中实现，多个Java线程共享一个操作系统线程，线程的调度和管理不需要操作系统直接支持。虽然这种实现方式降低了系统调用开销，但由于缺乏内核支持，处理阻塞等问题变得复杂。
混合实现（N:M实现）：结合内核线程和用户线程的优点，即多个用户线程映射到较少的操作系统线程上。这种方式可以支持大量的并发用户线程，同时利用操作系统提供的资源管理和调度功能。

1.2 Java传统线程模型

在Java发展的早期阶段，线程的实现依赖于用户线程实现。但从JDK 1.3开始，主流的Java虚拟机转向了基于操作系统内核线程实现（1:1实现）。这意味着每一个Java线程直接映射为一个操作系统级别的线程，从而简化了线程管理并提高了性能。

Java线程与操作系统线程映射关系.png

1.3 Java虚拟线程模型

在Java 21中，为了提高并发编程的效率和资源利用率，JDK引入了虚拟线程（Virtual Threads）的概念，并引入了平台线程（Platform Threads）来明确区分传统的Java线程。具体来说：

平台线程（Platform Thread）：每个 java.lang.Thread 类的实例都是一个平台线程，它是Java对操作系统线程的包装，与操作系统线程是一对一（1:1）的映射。
虚拟线程（Virtual Thread）：一种轻量级的、由JVM管理的线程，对应的实例类型为 java.lang.VirtualThread 类。
载体线程（Carrier Thread）：指真正负责执行虚拟线程中任务的平台线程。一个虚拟线程装载到一个平台线程之后，这个平台线程就成为该虚拟线程的载体线程。

通过这些概念，Java 21形成了一个N:M实现的线程模型，即多个虚拟线程可以共享一个操作系统线程。

Java虚拟线程与操作系统线程映射关系.png

虚拟线程旨在解决传统线程模型中的一些限制，提供了更高效的并发处理能力，其特点包括：

轻量化：资源消耗低，轻量级资源，适合大量并发任务。
适合阻塞任务：在执行阻塞操作时不会占用CPU资源，提高整体系统响应性和吞吐量。
用完即抛：不需要池化管理，减少了资源管理和维护的开销。
不适合CPU密集计算：虚拟线程适合处理大量并发的阻塞任务，而不是单一的高计算强度任务。

虚拟线程可以通过Thread.ofVirtual()方法创建，如下示例所示：

public class VTDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // 平台线程
        Thread.ofPlatform().start(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread());
            }
        });

        // 虚拟线程
        Thread vt = Thread.ofVirtual().start(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread());
            }
        });
        // 等待虚拟线程打印完毕再退出主程序
        vt.join();

    }
}

输出结果可能会显示如下：

Thread[#22,Thread-0,5,main]
VirtualThread[#23]/runnable@ForkJoinPool-1-worker-1

2 线程生命周期

2.1 操作系统层面

操作系统层面的线程生命周期基本上可以用下图这个“五态模型”来描述。

操作系统线程状态模型.png

【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
【就绪状态】（可运行状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态
- 当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
【阻塞状态】
- 如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
- 等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
- 与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

2.2 Java层面

Java 中线程的状态分为 6 种：

Java线程状态模型.png

【初始(NEW)】：新创建了一个线程对象，但还没有调用 start()方法。
【运行(RUNNABLE)】：线程对象创建后，其他线程(比如 main 线程）调用了该对象的 start()方法。
【阻塞(BLOCKED)】：表示线程阻塞于锁。
【等待(WAITING)】：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
【超时等待(TIMED_WAITING)】：该状态不同于 WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。
【终止(TERMINATED)】：表示该线程已经执行完毕。

在操作系统层面，Java 线程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一种状态，即前面我们提到的阻塞状态，而操作系统层面的就绪和运行中两种状态JVM 层面并不关心，因为 JVM 把线程调度交给操作系统处理了，所以笼统的称为“运行”。

3 结语

本文介绍了线程模型的不同实现方式及其在Java中的发展。从早期的用户线程到Java 21引入的虚拟线程，Java不断优化其并发处理能力。虚拟线程作为轻量级的解决方案，能够有效提升系统对于大量并发阻塞任务的处理效率。理解Java线程的不同状态及其在操作系统层面的表现，可以帮助开发者更好地设计高效、可靠的多线程应用程序。

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