这篇文章带你彻底理解线程

曾经终败给现在 2024-04-08 13:05 74阅读 0赞

1 线程的意义

操作系统支持多个应用程序同时执行，每个应用至少对应一个 [进程][Link 1] ，彼此之间的操作和数据不受干扰。当一个进程需要磁盘IO的时候，CPU就切换到另外的进程，提高了CPU利用率。

有了进程，为什么还要线程？因为进程的成本太高了。

启动新的进程必须分配独立的内存空间，建立数据表维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是昂贵的多任务工作方式。如果两个进程之间需要通信，要采用管道通信、消息队列、共享内存等等方式。线程可以看作轻量化的进程，或者粒度更小的进程。线程之间使用相同的地址空间，切换线程的时间远远小于切换进程的时间。一个进程的开销大约是线程开销的30倍左右。

随着操作系统的发展，进程已经演变成了线程容器的角色。进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。每一个进程中至少有一个线程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。

2 详解Java线程

我们以Java语言和JVM为例，了解一下线程的实现原理。

2.1 线程的底层实现

启动一个Java程序会创建一个JVM进程，JVM创建、管理线程本质都是调用操作系统接口。

public class TestThreadStart {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                System.out.println("start thread now ");
            }, "TestThreadStart");
            thread.run();
            System.out.println("the state of thread is " + thread.getState().name());
            thread.start();
            System.out.println("the state of thread is " + thread.getState().name());
        }
    }

以上代码演示了使用start方法启动线程，run方法只是执行同步方法，输出结果如下：

start thread now 
    the state of thread is NEW
    the state of thread is RUNNABLE
    start thread now

JVM源码文件 [jdk/Thread.java at master · openjdk/jdk · GitHub][jdk_Thread.java at master _ openjdk_jdk _ GitHub] 中，可以看到线程启动的start方法调用本地方法start0。

public void start() {
            synchronized (this) {
                // zero status corresponds to state "NEW".
                if (holder.threadStatus != 0)
                    throw new IllegalThreadStateException();
                start0();
            }
        }
        
        private native void start0();

源码文件 [https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/native/libjava/Thread.c][https_github.com_openjdk_jdk_blob_master_src_java.base_share_native_libjava_Thread.c] 中，实现了start0方法映射到JVM本地方法。

static JNINativeMethod methods[] = {
        {"start0",           "()V",        (void *)&JVM_StartThread},
        {"stop0",            "(" OBJ ")V", (void *)&JVM_StopThread},
        {"isAlive0",         "()Z",        (void *)&JVM_IsThreadAlive},
        {"suspend0",         "()V",        (void *)&JVM_SuspendThread},
        {"resume0",          "()V",        (void *)&JVM_ResumeThread},
        {"setPriority0",     "(I)V",       (void *)&JVM_SetThreadPriority},
        {"yield0",           "()V",        (void *)&JVM_Yield},
        {"sleep0",           "(J)V",       (void *)&JVM_Sleep},
        {"currentCarrierThread", "()" THD, (void *)&JVM_CurrentCarrierThread},
        {"currentThread",    "()" THD,     (void *)&JVM_CurrentThread},
        {"setCurrentThread", "(" THD ")V", (void *)&JVM_SetCurrentThread},
        {"interrupt0",       "()V",        (void *)&JVM_Interrupt},
        {"holdsLock",        "(" OBJ ")Z", (void *)&JVM_HoldsLock},
        {"getThreads",       "()[" THD,    (void *)&JVM_GetAllThreads},
        {"dumpThreads",      "([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads},
        {"getStackTrace0",   "()" OBJ,     (void *)&JVM_GetStackTrace},
        {"setNativeName",    "(" STR ")V", (void *)&JVM_SetNativeThreadName},
        {"extentLocalCache",  "()[" OBJ,    (void *)&JVM_ExtentLocalCache},
        {"setExtentLocalCache", "([" OBJ ")V",(void *)&JVM_SetExtentLocalCache},
        {"getNextThreadIdOffset", "()J",     (void *)&JVM_GetNextThreadIdOffset}
    };

在源码文件 [jdk/thread.cpp at master · openjdk/jdk · GitHub][jdk_thread.cpp at master _ openjdk_jdk _ GitHub] 可以看到启动线程依赖系统级方法 `os::start_thread(thread)` 。

void Thread::start(Thread* thread) {
      // Start is different from resume in that its safety is guaranteed by context or
      // being called from a Java method synchronized on the Thread object.
      if (thread->is_Java_thread()) {
        // Initialize the thread state to RUNNABLE before starting this thread.
        // Can not set it after the thread started because we do not know the
        // exact thread state at that time. It could be in MONITOR_WAIT or
        // in SLEEPING or some other state.
        java_lang_Thread::set_thread_status(JavaThread::cast(thread)->threadObj(),
                                            JavaThreadStatus::RUNNABLE);
      }
      os::start_thread(thread);
    }

在源码文件 [https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/hotspot/share/runtime/os.cpp][https_github.com_openjdk_jdk_blob_master_src_hotspot_share_runtime_os.cpp] 找到 `os::start_thread` 方法，可以看到系统创建了线程，并且状态设置为RUNNABLE。

void os::start_thread(Thread* thread) {
      OSThread* osthread = thread->osthread();
      osthread->set_state(RUNNABLE);
      pd_start_thread(thread);
    }

Linux系统并没有把线程和进程区别对待，无论线程还是进程都是一个数据结构，用 `task_struct` 结构体表示，唯一的区别是共享的数据区域不同。

struct task_struct {
        // 进程状态
        long              state;
        // 虚拟内存结构体
        struct mm_struct  *mm;
        // 唯一进程号
        pid_t             pid;
        // 指向父进程的指针
        struct task_struct   *parent;
        // 子进程列表
        struct list_head      children;
        // 存放文件系统信息的指针
        struct fs_struct      *fs;
        // 进程/线程打开的文件指针
        struct files_struct   *files;
    };

以上代码是 task\_struct 的极少部分字段。mm\_struct是进程的虚拟内存空间，files\_struct是进程将要读写的文件。Linux系统将一切外设和磁盘文件都当做文件处理，files\_struct代表所有的IO操作。

![65595051d64b4f900829ba4110feac21.jpeg][]

从上图可以看到，Linux创建进程和子进程会申请不同的内存空间，读写不同的文件；创建进程和进程下的线程，共享了内存空间，读写一样的文件。因此多线程应用程序要利用锁机制，避免在同一区域写入错乱数据的问题。

**2.2 线程的生命周期**

操作系统的线程生命周期可以分为五种状态。分别是：初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态。JVM将线程等待状态细分成两种，一共六种状态。

![06e10cf21de62b6bbcb5684bc5c3d447.png][]

*  NEW：创建。
 *  RUNNABLE：运行中。
 *  BLOCKED：受阻塞并等待某个监视器锁。
 *  WAITING：无限期地等待。
 *  TIMED\_WAITING：等待指定时间。
 *  TERMINATED：终止。

2.3 线程的优先级

操作系统调度线程有两种方式：

*  协作式调度：当前线程完全占用CPU时间，执行时间由线程本身控制，直到运行结束，系统才执行下一个线程。可能出现一个线程一直占有CPU，而其他线程等待，导致整个系统崩溃。
 *  抢占式调度：操作系统决定下一个占用CPU时间的是哪一个线程，定期的中断当前正在执行的线程，任何一个线程都不能独占。不会因为一个线程而影响整个进程的执行，但是频繁阻塞和调度会造成系统资源的浪费。

JVM的线程调度默认是抢占式调度，线程调度器按照优先级决定调度哪个线程来执行。线程优先级的范围是1～10，默认的优先级是5，10极最高。线程优先级高的不一定先执行，优先级低只是获得调度的概率低，并不是一定最后被调度。通过 `setPriority()` 可以改变线程优先级。

2.4 JVM守护线程

守护线程是一种JVM中特殊的线程，在后台完成一些系统性的服务，比如垃圾回收。应用程序创建的线程叫做用户线程，完成具体的业务操作。程序中所有的用户线程执行完毕之后，不管守护线程是否结束，JVM都会自动结束。任何线程都可以通过 `setDaemon()` 设置为守护线程和用户线程，如下代码所示：

public class DaemonThreadDemo {
    
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("--主线程开始--");
            Thread thread = new Thread(() -> {
                while (true) {
                    System.out.println("执行守护线程");
                }
            });
            thread.setDaemon(true);
            thread.start();
            System.out.println("--主线程结束--");
        }
    }

程序运行结果：

--主线程开始--
    --主线程结束--
    执行守护线程
    执行守护线程
    执行守护线程
    执行守护线程
    执行守护线程
    Process finished with exit code 0

当一个应用程序需要在后台持续做某件事情，就是守护线程的典型应用场景。比如开发一款社交软件，开启守护线程持续监听聊天消息。当应用程序退出时，守护线程一定会终止。

[Link 1]: https://www.codingbrick.com/archives/921.html
[jdk_Thread.java at master _ openjdk_jdk _ GitHub]: https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/lang/Thread.java
[https_github.com_openjdk_jdk_blob_master_src_java.base_share_native_libjava_Thread.c]: https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/native/libjava/Thread.c
[jdk_thread.cpp at master _ openjdk_jdk _ GitHub]: https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/hotspot/share/runtime/thread.cpp
[https_github.com_openjdk_jdk_blob_master_src_hotspot_share_runtime_os.cpp]: https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/hotspot/share/runtime/os.cpp
[65595051d64b4f900829ba4110feac21.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/08/fb7d5825bb354081872e9b59e7d15672.jpeg
[06e10cf21de62b6bbcb5684bc5c3d447.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/08/2d754e14d8654c2090194955a884b6ed.png