阿里面试官问我Java线程和操作系统线程什么关系-轻识

这个问题是安琪拉之前面试被问到的一个问题，正好顺着上一篇文章介绍完线程调用时的用户态和内核态的切换，后续把Java 并发的都一起讲了。

面试官：听前一个面试官说你Java并发这块掌握的不错，我们深入的交流一下；

我: 看了看面试官头部稀疏的结缔组织，已然觉得这场面试不简单，不过好在事前把安琪拉的博客看了个遍，有所准备，我回答说：咳咳，掌握的还算可以。

面试官：Java线程用过的吧？

我：用过。

面试官：那你给我讲讲Java线程和操作系统的？

我：啊！！！

剧情不应该这样的啊，开场不应该先是 synchronized 或者 volatile，再然后是线程池和AQS，怎么上来就整这玩意。

我：好的，那我分三段讲，

用户态的线程
内核态的线程
Java 线程源码

1. 用户态的线程

第一阶段:

其实早期的时候，操作系统是没有线程的概念，线程是后面加进来的，操作系统刚开始只有进程，操作系统分配资源的最小单位是进程，进程与进程之间相关隔离，每个进程有自己的内存空间，文件描述符，CPU调度以进程作为最小调度单元；

第二阶段:

初期的多线程，线程是在用户空间下实现的。

什么意思？我们都知道内存分用户空间和系统空间，系统空间是给操作系统使用的，用户空间是应用程序使用的，应用程序如果需要访问系统空间，需要进行系统调用，从用户态切换到内核态，这里详细可以参考我上一篇文章: [讲讲用户空间和内核空间]

那怎么在用户空间实现的多线程呢？

实际上是操作系统按进程维度来调度，操作系统是不去管你用户线程的切换的，应用程序自己在用户空间实现线程的创建、维护和调度。模型如下图:

当线程在用户空间下实现时，操作系统对线程的存在一无所知，操作系统只能看到进程，而不能看到线程。所有的线程都是在用户空间实现。在操作系统看来，每一个进程只有一个线程。

这种方式的好处之一就是即使操作系统不支持线程，也可以通过库函数来支持线程。在JDK1.1中，就用的绿色线程，而不是原始线程。

下面是关于green thread的解释，因为green thread不是今天的重点，就不细说了。

green threads 是一种由运行环境或虚拟机(VM)调度，而不是由本地底层操作系统调度的线程。绿色线程并不依赖底层的系统功能，模拟实现了多线程的运行，这种线程的管理调配发生在用户空间而不是内核空间，所以它们可以在没有原生线程支持的环境中工作。
在Java 1.1中，绿色线程（至少在 Solaris 上）是JVM 中使用的唯一一种线程模型。由于绿色线程和原生线程比起来在使用时有一些限制，随后的 Java 版本中放弃了绿色线程，转而使用native threads。

这种模式的优点和缺点都非常明显:

缺点: 因为操作系统不知道线程的存在，CPU的时间片切换是以进程为维度的，如果进程中有某个线程进行了某些耗时长的操作，会阻塞整个进程。另外当一个进程中的某一个线程(绿色线程)进行系统调用时，比如网络IO、缺页中断等操作而导致线程阻塞，操作系统也会阻塞整个进程，即使这个进程中其它线程还在工作。

优点: 使用库函数来实现的线程切换，就免去了用户态到内核态的切换，这个味道熟不熟，对了，Go的协程就有借鉴了一部分这个思想。

2. 内核态的线程

在 Java1.2 之后. Linux中的JVM是基于pthread实现的, 可以直接说 Java 线程就是依赖操作系统实现的，是1:1的关系。

现在的Java中线程的本质，其实就是操作系统中的线程

另外我看很多资料上说 Java线程的实现采用的是LWP(轻量级进程)，实际上从Linux 内核2.6开始，就把LinuxThread 换成了新的线程实现方式NPTL，NPTL解决了LinuxThread中绝大多数跟POSIX标准不兼容的特性，并提供了更好的性能，可扩展性及可维护性等等。

LinuxThread使用的是1 * 1模型，即每一个用户态线程都有一个内核的管理实体跟其对应，这个内核对应的管理实体就是进程，又称LWP（轻量级进程）

希望了解更多NPTL的可以去看详细介绍NPTL.

我们知道，每个线程都有它自己的线程上下文，线程上下文包括线程的ID、栈、程序计数器、通用的寄存器等的合集。总觉得上下文这个词很模棱二可，但是发现也找不到更合适的词来描述。

线程有自己的独立的上下文，由操作系统调度，但是也有一个缺点，那就是线程消耗资源太大了，例如在linux上，一个线程默认的栈大小是1M，单机创建几万个线程就有点吃力了。所以后来在编程语言的层面上，就出现了协程这个东西。

协程的模式有点类似结合了上面二种方式，即是在用户态做线程资源切换，也让操作系统在内核层做线程调度。

协程跟操作系统的线程是有映射关系的，例如我们建了m个协程，需要在N个线程上执行，这就是m: n的方案，这n个线程也是靠操作系统调度实现。

另外协程是按需使用栈内存的，所以理论上可以轻轻松松创建百万级的协程。

目前协程这块支持的最好的是go语言, 不过现在OpenJDK社区也正在为JDK增加协程的支持。

3. 线程的源码

我们在Java中调用 new Thread(Runnable ***).start() 方法时，怎么从用户态切到内核态，发送系统调用，在操作系统内核层中创建一个线程的呢？

这个可以一步步往下钻，关键点最后在JVM层系统调用pthread_create创建线程。

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

下到Thread.c 文件，：

OpenJDK1.8源代码第44行，方法映射；追着 JVM_StartThread 进到 jvm.cpp

linux 系统下的，看 src/hotspot/os/linux/os_linux.cpp

主要关注 pthread_create 这里，是通过linux 的 c库函数完成系统调用，从用户态切到内核态完成线程的创建。

文中源代码地址:
Thread.c
pthread_create
os_linux

下一篇文章介绍 Java 线程的几种状态的切换, 也是非常重要的知识点。

最后说下怕误导大家，说下头发不属于结缔组织。
网友喜欢把剪头发说成：明天我就要去动手术了，头部结缔组织群体切割手术，祝我好运！

参考:

[Understanding java's native threads and the jvm]

原创不易，如果觉得自己看完有收获，帮忙转发一下或点个在看，文章更新比较慢，如果怕漏看可以星标一下，预祝小伙伴们新年快乐！