Java并发系列之一：JVM线程模型

什么是线程模型：

Java字节码运行在JVM中，JVM运行在各个操作系统上。所以当JVM想要进行线程创建回收这种操作时，势必需要调用操作系统的相关接口。也就是说，JVM线程与操作系统线程之间存在着某种映射关系，这两种不同维度的线程之间的规范和协议，就是线程模型。

可能有读者会存在疑惑：为什么需要这样的中间层？我们在开发时，直接调用操作系统的接口来创建回收线程不是更直接吗?这个问题的答案显而易见，正如我们现在不常用汇编语言进行开发，而是使用更加简单容易上手的高级语言一样，这是一种自下而上的抽象。

JVM线程对不同操作系统上的原生线程进行了高级抽象，使开发者大多数情况下可以不用关注下层细节，而只要专注上层开发。不过在学习过程中，我们秉持知其然并知其所以然的态度，就需要去理解这种抽象方式，这也有助于将来我们自己进行一些设计的时候，能够复用前人的思想。

理解了什么是线程模型，为什么要有线程模型。接下来介绍一下JVM线程模型的三种类型: 一对一，多对一，多对多。

内核线程：

在具体介绍这三种类型之前，有必要先来介绍一下操作系统的内核线程本身是什么样的面貌。这里我们就以最主流的Linux内核为例。

有一道面试题非常普遍:“说说线程和进程的区别” 。网上流传的答案之一是“线程属于进程”，这个说法是不准确的。Linux线程又被称为“轻量级进程”，这就使很多同学摸不着头脑，那到底是线程还是进程?我们可以这么去理解，“线程” 是抽象概念(KLT， 内核线程)，因为Linux内部没有专门为线程定义的数据结构和调度算法，所以Linux去实现“线程”的方式是“轻量级进程”(LWP, 轻量级进程)，本质还是进程。只不过加了一个“轻量级”的修饰词。

 

“轻量级进程”与“进程”的区别在哪? 一个Linux进程拥有自己独立的地址空间，而一个轻量级进程没有自己独立的地址空间，只能共享同一个轻量级进程组下的地址空间。进程和轻量级进程的创建都使用clone系统调用，区别仅仅在于向clone函数传递的参数不同，来指定是否共享地址空间等资源。

明白了Linux内核线程的真面目，我们就来讲三种Java线程模型的区别。

一对一

可以看下面这张图，一目了然，这种线程模型就是在Java线程(用户线程)与操作系统线程(KLT)之间建立一对一的关系，这种关系看上去简单粗暴，但就是好用。

 

优点:

每个线程都是独立的调度单元，直接利用操作系统内核提供的调度功能。

缺点:

用户线程的阻塞唤醒，会直接映射到内核线程上，容易引起频繁切换，降低性能。但是一些语言引入了CAS来避免一部分的内核调用，比如Java引入了AQS这种函数级别的锁，减少使用内核级别的锁，就能提升性能。

Linux内核能够创建的资源毕竟是有限的，所以这在一定程度上会限制并发量。

目前大部分主流JVM.上都是采用的这种线程模型。

UT=用户线程; LWP=轻量级进程; KLT=内核线程

多对一

可以看下面这张图，图上多个用户线程映射到一个内核线进程上，用户线程的调度需要由用户空间来完成。

 

优点:

提升并发量上限，大部分调度和同步操作都在用户空间内完成，减少状态切换，能够提升性能。

缺点:

当一个用户线程进行了内核调用并阻塞了，那么其他线程在这段时间里都无法进行内核调用。

Java早期版本就是采用的这种线程模型，不过后来被抛弃了。

多对多

来看下面这张图。基本上能看得出来，这种方式的优点能够解决一对一和多对一模型的缺点，综合它们的优点。不过缺点就是，要实现这种线程模型难度比较高。

Go语言采用的GMP线程模型就是基于多对多的方式来实现的，这也是为什么能够利用goroutine实现更高并发的原因。值得一提的是，Java的Loom项目也在进行这方面的探索。