线程原理

运行机制

Java Virtual Machine Stacks（Java 虚拟机栈）：每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存

• 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

线程上下文切换（Thread Context Switch）：一些原因导致 CPU 不再执行当前线程，转而执行另一个线程

• 线程的 CPU 时间片用完
• 垃圾回收（GC 线程可能需要暂停应用线程）
• 有更高优先级的线程需要运行
• 线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park 等方法，或者遇到 I/O 阻塞。

程序计数器（Program Counter Register）：记住下一条 JVM 指令的执行地址，是线程私有的

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态（PCB 中），并恢复另一个线程的状态，包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等

JVM 规范并没有限定线程模型，以 HotSopot 为例：

• Java 的线程是内核级线程（1:1 线程模型），每个 Java 线程都映射到一个操作系统原生线程，需要消耗一定的内核资源（堆栈）
• 线程的调度是在内核态运行的，而线程中的代码是在用户态运行，所以线程切换（状态改变）会导致用户与内核态转换进行系统调用，这是非常消耗性能

Java 中 main 方法启动的是一个进程，也是一个主线程。main 方法里面的其他线程均为子线程，main 线程是这些线程的父线程

线程调度

线程调度指系统为线程分配处理器使用权的过程，方式有两种：协同式线程调度、抢占式线程调度（Java 选择）

协同式线程调度：线程的执行时间由线程本身控制

• 优点：线程做完任务才通知系统切换到其他线程，相当于所有线程串行执行，不会出现线程同步问题（因为没有并发）
• 缺点：线程执行时间不可控，如果代码编写出现问题（如死循环），可能导致程序一直阻塞，引起系统的奔溃

抢占式线程调度：线程的执行时间由系统分配（操作系统调度器）

• 优点：线程执行时间可控，不会因为一个线程的问题而导致整体系统不可用
• 缺点：无法主动为某个线程多分配时间（虽然有优先级提示），且需要处理线程同步问题

Java 提供了线程优先级的机制，优先级会提示（hint）调度器优先调度该线程，但这仅仅是一个提示，调度器可以忽略它。在线程的就绪状态时，如果 CPU 比较忙，那么优先级高的线程会获得更多的时间片，但 CPU 闲时，优先级几乎没作用

说明：并不能通过优先级来判断线程执行的先后顺序，也不能保证高优先级线程一定比低优先级线程先执行或获得更多执行时间，这高度依赖于操作系统和 JVM 的具体实现

未来优化

内核级线程调度的成本较大，所以引入了更轻量级的协程。用户线程的调度由用户自己实现（多对一的线程模型，多个用户线程映射到一个内核级线程），被设计为协同式调度，所以叫协程

• 有栈协程：协程会完整的做调用栈的保护、恢复工作，所以叫有栈协程
• 无栈协程：本质上是一种有限状态机，状态保存在闭包里，比有栈协程更轻量，但是功能有限

有栈协程中有一种特例叫纤程，在新并发模型中，一段纤程的代码被分为两部分，执行过程和调度器：

• 执行过程：用于维护执行现场，保护、恢复上下文状态，它封装了代码的执行路径和暂停/恢复点
• 调度器：负责编排所有要执行的代码顺序，并将纤程映射到少量的平台线程（内核线程）上