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1. 用戶空間和內(nèi)核空間

關(guān)于內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)我們?cè)?了解操作系統(tǒng)的那些事兒，從這篇文章開始 這篇文章中已經(jīng)詳細(xì)介紹過，這里不再過多贅述。

至于什么是系統(tǒng)空間和用戶空間也非常好理解：在操作系統(tǒng)中，內(nèi)存通常會(huì)被分成用戶空間(User space)與內(nèi)核空間(Kernel space)這兩個(gè)部分。當(dāng)進(jìn)程/線程運(yùn)行在用戶空間時(shí)就處于用戶態(tài)，運(yùn)行在內(nèi)核空間時(shí)就處于內(nèi)核態(tài)：

• 運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的程序可以訪問用戶空間和內(nèi)核空間，或者說它可以訪問計(jì)算機(jī)的任何資源，不受限制，為所欲為，例如協(xié)調(diào) CPU 資源，分配內(nèi)存資源，提供穩(wěn)定的環(huán)境供應(yīng)用程序運(yùn)行等
• 而應(yīng)用程序基本都是運(yùn)行在用戶態(tài)的，或者說用戶態(tài)就是提供應(yīng)用程序運(yùn)行的空間。運(yùn)行在用戶態(tài)的程序只能訪問用戶空間

那為什么要區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)呢?

其實(shí)早期操作系統(tǒng)是不區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的，也就是說應(yīng)用程序可以訪問任意內(nèi)存空間，如果程序不穩(wěn)定常常會(huì)讓系統(tǒng)崩潰，比如清除了操作系統(tǒng)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。為此大佬們?cè)O(shè)計(jì)出了一套規(guī)則：對(duì)于那些比較危險(xiǎn)的操作需要切到內(nèi)核態(tài)才能運(yùn)行，比如 CPU、內(nèi)存、設(shè)備等資源管理器程序就應(yīng)該在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行，否則安全性沒有保證。

舉個(gè)例子，對(duì)于文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)來說，文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)和管理就必須放在內(nèi)核態(tài)，但是用戶的數(shù)據(jù)和管理可以放在用戶態(tài)。

用戶態(tài)的程序不能隨意操作內(nèi)核地址空間，這樣有效地防止了操作系統(tǒng)程序受到應(yīng)用程序的侵害。

那如果處于用戶態(tài)的程序想要訪問內(nèi)核空間的話怎么辦呢?就需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。

2. 操作系統(tǒng)線程

① 在用戶空間中實(shí)現(xiàn)線程

在早期的操作系統(tǒng)中，所有的線程都是在用戶空間下實(shí)現(xiàn)的，操作系統(tǒng)只能看到線程所屬的進(jìn)程，而不能看到線程。

從我們開發(fā)者的角度來理解用戶級(jí)線程就是說：在這種模型下，我們需要自己定義線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度和維護(hù)等，這些線程運(yùn)行在操作系統(tǒng)的某個(gè)進(jìn)程內(nèi)，然后操作系統(tǒng)直接對(duì)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度。

這種方式的好處一目了然，首先第一點(diǎn)，就是即使操作系統(tǒng)原生不支持線程，我們也可以通過庫(kù)函數(shù)來支持線程;第二點(diǎn)，線程的調(diào)度只發(fā)生在用戶態(tài)，避免了操作系統(tǒng)從內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的轉(zhuǎn)換開銷。

當(dāng)然缺點(diǎn)也很明顯：由于操作系統(tǒng)看不見線程，不知道線程的存在，而 CPU 的時(shí)間片切換是以進(jìn)程為維度的，所以如果進(jìn)程中某個(gè)線程進(jìn)行了耗時(shí)比較長(zhǎng)的操作，那么由于用戶空間中沒有時(shí)鐘中斷機(jī)制，就會(huì)導(dǎo)致此進(jìn)程中的其它線程因?yàn)榈貌坏?CPU 資源而長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)等待;另外，如果某個(gè)線程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)比如缺頁(yè)中斷而導(dǎo)致了線程阻塞，此時(shí)操作系統(tǒng)也會(huì)阻塞住整個(gè)進(jìn)程，即使這個(gè)進(jìn)程中其它線程還在工作。

② 在內(nèi)核空間中實(shí)現(xiàn)線程

所謂內(nèi)核級(jí)線程就是運(yùn)行在內(nèi)核空間的線程， 直接由內(nèi)核負(fù)責(zé)，只能由內(nèi)核來完成線程的調(diào)度。

幾乎所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)，包括 Windows、Linux、Mac OS X 和 Solaris 等，都支持內(nèi)核線程。

每個(gè)內(nèi)核線程可以視為內(nèi)核的一個(gè)分身，這樣操作系統(tǒng)就有能力同時(shí)處理多件事情，支持多線程的內(nèi)核就叫做多線程內(nèi)核(Multi-Threads Kernel)。

從我們開發(fā)者的角度來理解內(nèi)核級(jí)線程就是說：我們可以直接使用操作系統(tǒng)中已經(jīng)內(nèi)置好的線程，線程的創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度和維護(hù)等，都是直接由操作系統(tǒng)的內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)，我們只需要使用系統(tǒng)調(diào)用就好了，不需要像用戶級(jí)線程那樣自己設(shè)計(jì)線程調(diào)度等。

上圖畫的是 1：1 的線程模型，所謂線程模型，也就是用戶線程和內(nèi)核線程之間的關(guān)聯(lián)方式，線程模型當(dāng)然不止 1：1 這一種，下面我們來詳細(xì)解釋以下這三種多線程模型：

下文翻譯自 https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/4_Threads.html

1)多對(duì)一線程模型：

• 在多對(duì)一模型中，多個(gè)用戶級(jí)線程映射到某一個(gè)內(nèi)核線程上
• 線程管理由用戶空間中的線程庫(kù)處理，這非常有效
• 但是，如果進(jìn)行了阻塞系統(tǒng)調(diào)用，那么即使其他用戶線程能夠繼續(xù)，整個(gè)進(jìn)程也會(huì)阻塞
• 由于單個(gè)內(nèi)核線程只能在單個(gè) CPU 上運(yùn)行，因此多對(duì)一模型不允許在多個(gè) CPU 之間拆分單個(gè)進(jìn)程

從并發(fā)性角度來總結(jié)下，雖然多對(duì)一模型允許開發(fā)人員創(chuàng)建任意多的用戶線程，但是由于內(nèi)核只能一次調(diào)度一個(gè)線程，所以并未增加并發(fā)性。現(xiàn)在已經(jīng)幾乎沒有操作系統(tǒng)來使用這個(gè)模型了，因?yàn)樗鼰o法利用多個(gè)處理核。

2)一對(duì)一線程模型：

• 一對(duì)一模型克服了多對(duì)一模型的問題
• 一對(duì)一模型創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)核線程來處理每個(gè)用戶線程
• 但是，管理一對(duì)一模型的開銷更大，涉及更多開銷和減慢系統(tǒng)速度
• 此模型的大多數(shù)實(shí)現(xiàn)都限制了可以創(chuàng)建的線程數(shù)

從并發(fā)性角度來總結(jié)下，雖然一對(duì)一模型提供了更大的并發(fā)性，但是開發(fā)人員應(yīng)注意不要在應(yīng)用程序內(nèi)創(chuàng)建太多線程(有時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)限制創(chuàng)建線程的數(shù)量)，因?yàn)楣芾硪粚?duì)一模型的開銷更大。Windows (從 Win95 開始) 和 Linux 都實(shí)現(xiàn)了線程的一對(duì)一模型。

3)多對(duì)多線程模型：

• 多對(duì)多模型將任意數(shù)量的用戶線程復(fù)用到相同或更少數(shù)量的內(nèi)核線程上，結(jié)合了一對(duì)一和多對(duì)一模型的最佳特性
• 用戶對(duì)創(chuàng)建的線程數(shù)沒有限制
• 阻止內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用不會(huì)阻止整個(gè)進(jìn)程
• 進(jìn)程可以分布在多個(gè)處理器上
• 可以為各個(gè)進(jìn)程分配可變數(shù)量的內(nèi)核線程，具體取決于存在的 CPU 數(shù)量和其他因素

3. Java 線程

在進(jìn)入 Java 線程主題之前，有必要講解一下線程庫(kù) Thread library 的概念。

在上面的模型介紹中，我們提到了通過線程庫(kù)來創(chuàng)建、管理線程，那么什么是線程庫(kù)呢?

線程庫(kù)就是為開發(fā)人員提供創(chuàng)建和管理線程的一套 API。

當(dāng)然，線程庫(kù)不僅可以在用戶空間中實(shí)現(xiàn)，還可以在內(nèi)核空間中實(shí)現(xiàn)。前者涉及僅在用戶空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的 API 函數(shù)，沒有內(nèi)核支持。后者涉及系統(tǒng)調(diào)用，也就是說調(diào)用庫(kù)中的一個(gè) API 函數(shù)將會(huì)導(dǎo)致對(duì)內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用，并且需要具有線程庫(kù)支持的內(nèi)核。

下面簡(jiǎn)單介紹下三個(gè)主要的線程庫(kù)：

1)POSIX Pthreads：可以作為用戶或內(nèi)核庫(kù)提供，作為 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展

2)Win32 線程：用于 Window 操作系統(tǒng)的內(nèi)核級(jí)線程庫(kù)

3)Java 線程：Java 線程 API 通常采用宿主系統(tǒng)的線程庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，也就是說在 Win 系統(tǒng)上，Java 線程 API 通常采用 Win API 來實(shí)現(xiàn)，在 UNIX 類系統(tǒng)上，采用 Pthread 來實(shí)現(xiàn)。

下面我們來詳細(xì)講解 Java 線程：

事實(shí)上，在 JDK 1.2 之前，Java 線程是基于稱為 "綠色線程"(Green Threads)的用戶級(jí)線程實(shí)現(xiàn)的，也就是說程序員大佬們?yōu)?JVM 開發(fā)了自己的一套線程庫(kù)或者說線程管理機(jī)制。

而在 JDK 1.2 及以后，JVM 選擇了更加穩(wěn)定且方便使用的操作系統(tǒng)原生的內(nèi)核級(jí)線程，通過系統(tǒng)調(diào)用，將線程的調(diào)度交給了操作系統(tǒng)內(nèi)核。而對(duì)于不同的操作系統(tǒng)來說，它們本身的設(shè)計(jì)思路基本上是完全不一樣的，因此它們各自對(duì)于線程的設(shè)計(jì)也存在種種差異，所以 JVM 中明確聲明了：虛擬機(jī)中的線程狀態(tài)，不反應(yīng)任何操作系統(tǒng)中的線程狀態(tài)。

也就是說，在 JDK 1.2 及之后的版本中，Java 的線程很大程度上依賴于操作系統(tǒng)采用什么樣的線程模型，這點(diǎn)在不同的平臺(tái)上沒有辦法達(dá)成一致，JVM 規(guī)范中也并未限定 Java 線程需要使用哪種線程模型來實(shí)現(xiàn)，可能是一對(duì)一，也可能是多對(duì)多或多對(duì)一。

總結(jié)來說，回答下文題，現(xiàn)今 Java 中線程的本質(zhì)，其實(shí)就是操作系統(tǒng)中的線程，其線程庫(kù)和線程模型很大程度上依賴于操作系統(tǒng)(宿主系統(tǒng))的具體實(shí)現(xiàn)，比如在 Windows 中 Java 就是基于 Wind32 線程庫(kù)來管理線程，且 Windows 采用的是一對(duì)一的線程模型。

References

Operating Systems - Threads：https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/4_Threads.html

Java 線程和操作系統(tǒng)線程的關(guān)系：https://blog.csdn.net/CringKong/article/details/79994511?utm_medium