这篇文章带你彻底理解线程

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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。