[[376045]]

本文轉載自微信公眾號「安琪拉的博客」，作者安琪拉的博客 。轉載本文請聯系安琪拉的博客公眾號。

 這個問題是安琪拉之前面試被問到的一個問題，正好順著上一篇文章介紹完線程調用時的用戶態和內核態的切換，后續把Java 并發的都一起講了。

面試官：聽前一個面試官說你Java并發這塊掌握的不錯，我們深入的交流一下;

我: 看了看面試官頭部稀疏的結締組織，已然覺得這場面試不簡單，不過好在事前把安琪拉的博客看了個遍，有所準備，我回答說：咳咳，掌握的還算可以。

面試官：Java線程用過的吧?

我：用過。

面試官：那你給我講講Java線程和操作系統的?

我：啊!!!

劇情不應該這樣的啊，開場不應該先是 synchronized 或者 volatile，再然后是線程池和AQS，怎么上來就整這玩意。

我：好的，那我分三段講，

• 用戶態的線程
• 內核態的線程
• Java 線程源碼

1. 用戶態的線程

第一階段:

其實早期的時候，操作系統是沒有線程的概念，線程是后面加進來的，操作系統剛開始只有進程，操作系統分配資源的最小單位是進程，進程與進程之間相關隔離，每個進程有自己的內存空間，文件描述符，CPU調度以進程作為最小調度單元;

第二階段:

初期的多線程，線程是在用戶空間下實現的。

什么意思?我們都知道內存分用戶空間和系統空間，系統空間是給操作系統使用的，用戶空間是應用程序使用的，應用程序如果需要訪問系統空間，需要進行系統調用，從用戶態切換到內核態，這里詳細可以參考我上一篇文章: [講講用戶空間和內核空間]

那怎么在用戶空間實現的多線程呢?

實際上是操作系統按進程維度來調度，操作系統是不去管你用戶線程的切換的，應用程序自己在用戶空間實現線程的創建、維護和調度。模型如下圖:

當線程在用戶空間下實現時，操作系統對線程的存在一無所知，操作系統只能看到進程，而不能看到線程。所有的線程都是在用戶空間實現。在操作系統看來，每一個進程只有一個線程。

這種方式的好處之一就是即使操作系統不支持線程，也可以通過庫函數來支持線程。在JDK1.1中，就用的綠色線程，而不是原始線程。

下面是關于green thread的解釋，因為green thread不是今天的重點，就不細說了。

green threads 是一種由運行環境或虛擬機(VM)調度，而不是由本地底層操作系統調度的線程。綠色線程并不依賴底層的系統功能，模擬實現了多線程的運行，這種線程的管理調配發生在用戶空間而不是內核空間，所以它們可以在沒有原生線程支持的環境中工作。

在Java 1.1中，綠色線程(至少在 Solaris 上)是JVM 中使用的唯一一種線程模型。由于綠色線程和原生線程比起來在使用時有一些限制，隨后的 Java 版本中放棄了綠色線程，轉而使用native threads。

這種模式的優點和缺點都非常明顯:

缺點: 因為操作系統不知道線程的存在，CPU的時間片切換是以進程為維度的，如果進程中有某個線程進行了某些耗時長的操作，會阻塞整個進程。另外當一個進程中的某一個線程(綠色線程)進行系統調用時，比如網絡IO、缺頁中斷等操作而導致線程阻塞，操作系統也會阻塞整個進程，即使這個進程中其它線程還在工作。

優點: 使用庫函數來實現的線程切換，就免去了用戶態到內核態的切換，這個味道熟不熟，對了，Go的協程就有借鑒了一部分這個思想。

2. 內核態的線程

在 Java1.2 之后. Linux中的JVM是基于pthread實現的, 可以直接說 Java 線程就是依賴操作系統實現的，是1:1的關系。

現在的Java中線程的本質，其實就是操作系統中的線程

另外我看很多資料上說 Java線程的實現采用的是LWP(輕量級進程)，實際上從Linux 內核2.6開始，就把LinuxThread 換成了新的線程實現方式NPTL，NPTL解決了LinuxThread中絕大多數跟POSIX標準不兼容的特性，并提供了更好的性能，可擴展性及可維護性等等。

LinuxThread使用的是1 * 1模型，即每一個用戶態線程都有一個內核的管理實體跟其對應，這個內核對應的管理實體就是進程，又稱LWP(輕量級進程)

希望了解更多NPTL的可以去看詳細介紹NPTL.

我們知道，每個線程都有它自己的線程上下文，線程上下文包括線程的ID、棧、程序計數器、通用的寄存器等的合集。總覺得上下文這個詞很模棱二可，但是發現也找不到更合適的詞來描述。

線程有自己的獨立的上下文，由操作系統調度，但是也有一個缺點，那就是線程消耗資源太大了，例如在linux上，一個線程默認的棧大小是1M，單機創建幾萬個線程就有點吃力了。所以后來在編程語言的層面上，就出現了協程這個東西。

協程的模式有點類似結合了上面二種方式，即是在用戶態做線程資源切換，也讓操作系統在內核層做線程調度。

協程跟操作系統的線程是有映射關系的，例如我們建了m個協程，需要在N個線程上執行，這就是m: n的方案，這n個線程也是靠操作系統調度實現。

另外協程是按需使用棧內存的，所以理論上可以輕輕松松創建百萬級的協程。

目前協程這塊支持的最好的是go語言, 不過現在OpenJDK社區也正在為JDK增加協程的支持。

3. 線程的源碼

我們在Java中調用 new Thread(Runnable ***).start() 方法時，怎么從用戶態切到內核態，發送系統調用，在操作系統內核層中創建一個線程的呢?

這個可以一步步往下鉆，關鍵點最后在JVM層系統調用pthread_create創建線程。

首先是native方法: private native void start0();

下到Thread.c 文件，：

OpenJDK1.8源代碼第44行，方法映射;追著 JVM_StartThread 進到 jvm.cpp

linux 系統下的，看 src/hotspot/os/linux/os_linux.cpp

主要關注 pthread_create 這里，是通過linux 的 c庫函數完成系統調用，從用戶態切到內核態完成線程的創建。

文中源代碼地址:

Thread.c 
 
pthread_create 
 
os_linux