彻底理解线程

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。

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。

• 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