彻底理解线程

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所属分类:linux技术
摘要

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,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。


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,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 https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/lang/Thread.java 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 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 https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/hotspot/share/runtime/thread.cpp 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 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。

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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。

彻底理解线程

  • 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。

参考文章:https://www.codingbrick.com/archives/937.html