資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：線程的可能實現方式基本上主流的操作系統都支持線程，也提供了線程的實現。使用用戶線程和內核線程混合實現在這種混合實現下，既存在用戶線程，也存在內核線程。
進程與線程
在傳統的操作系統中，最核心的概念是“進程”，進程是對正在運行的程序的一個抽象。
進程的存在讓“并行”成為了可能，在一個操作系統中，允許運行著多個進程，這些進程“看起來”是同時在運行的。
如果我們的計算機同時運行著 web 瀏覽器、電子郵件客戶端、即時通訊軟件例如QQ微信等多個進程，我們感覺這些進程都是同時在運行的，假設這臺計算機搭配的是多個 CPU 或者 多核 CPU，那么這種多個進程并行的現象可能一點也不奇怪，完全可以為每個進程多帶帶分配一個 CPU，這樣就實現了多進程并行。
然而事實上，在計算機只有一個 CPU 的情況下，它也能給人類一種感覺：多個進程同時在運行。但人類的感覺往往是比較模糊的，不精確的。事實是由于 CPU 的計算速度非常地快，它能快速地在各個進程之間切換，在某一瞬間，CPU 只能運行一個進程，但一秒鐘之內，它就能通過快速切換，讓人產生多個進程同時在運行的錯覺。
在操作系統中，為什么在進程的基礎上，又衍生出了線程的概念呢？
由于對于一些進程而言，它內部會發生多種活動，有些活動可能會在某個時間里阻塞，有些活動不會，如果通過線程將這些活動分離開使它們能夠并行地運行，則設計程序的時候會更加簡單。
線程比進程的創建更加輕量級，性能消耗更少
如果一個進程既需要 CPU 計算，也需要I/O處理，擁有多線程允許這些活動重疊進行，加快整個進程的執行速度。
每一個進程在操作系統中都擁有獨立的一塊內存地址空間，該進程創建的所有線程共享這塊內存，支持多線程的操作系統，會讓線程作為 CPU 調度的最小單位。CPU 的時間片在不同的線程之間進行分配。
線程的可能實現方式基本上主流的操作系統都支持線程，也提供了線程的實現。而 Java 語言為了應對不同硬件和操作系統的差異，提供了對線程操作的統一抽象，在 Java 中我們使用 Thread 類來代表一個線程。
Thread 的具體實現可能會有不同的實現方式：
內核線程是操作系統內核支持的線程，在內核中有一個線程表用來記錄系統中的所有線程，創建或者銷毀一個線程時，都需要涉及到系統調用，然后再內核中對線程表進行更新操作。對內核線程的阻塞以及其它操作，都涉及到系統調用，系統調用的代價都比較大，涉及到在用戶態和內核態之間的來回切換。此外，內核內部有線程調度器，用于決定應該將 CPU 時間片分配個哪個線程。
程序一般不會直接操作內核線程，而是使用內核線程的一種高級接口，輕量級進程。輕量級進程與內核線程之間的關系是 1：1，每一個輕量級進程內部都有一個內核線程支持。
上圖中， LWP 指 Light Weight Process，即輕量級進程；KLT 指 Kernel Level Thread，即內核線程。
使用用戶線程實現用戶線程是程序或者編程語言自己實現的線程庫，系統內核無法感知到這些線程的存在。用戶線程的建立、同步、銷毀和調度，都在用戶態中完成，無須內核的幫助，不需要進行系統調用，這樣的好處是對于線程的操作是非常高效的。在這種情況下，進程和用戶線程的比例是 1 ：N。
用戶態線程面對如何阻塞線程時，會面臨困難，阻塞一個用戶態線程會出現把整個進程都阻塞的情況，多線程也就失去了意義。因為缺少內核的支持，所以很多需要利用內核才能完成的工作，例如阻塞與喚醒線程、多 CPU 環境下線程的映射等，都需要用戶程序去實現，實現起來會異常困難。
使用用戶線程和內核線程混合實現在這種混合實現下，既存在用戶線程，也存在內核線程。用戶態線程的創建、切換這些操作依然很高效，并且用戶態實現的線程，比較容易加大線程的規模。需要操作系統內核支持的功能，則通過內核線程來做到，例如映射到不同的處理器上、處理線程的阻塞與喚醒以及內核線程的調度等。這種實現依然會使用到輕量級進程 LWP，它是用戶線程和內核線程之間的橋梁。
Java 線程的實現在 JDK1.2 之前， Java 的線程是使用用戶線程實現的，在 JDK1.2 之后，Java 才采用操作系統原生支持的線程模型來實現，Java 線程模型的實現方式，主要取決于操作系統。對于 Oracle JDK 來說，在 Windows 和 Linux 上的線程模型是采用一對一的方式實現的，即一條 Java 線程映射到一條輕量級進程(內核線程)。而在 Solaris 平臺中，Java 則支持 1 ：1 和 N : M 的線程模型。
線程的阻塞與等待Java 中的線程的狀態有以下幾種：New，Runnable，Waiting， TimedWaiting， Blocked，Terminated。
NEW：線程初創建，未運行
RUNNABLE：線程正在運行，但不一定消耗 CPU
BLOCKED：線程正在等待另外一個線程釋放鎖
WAITING：線程執行了 wait, join, LockSupport.park() 方法
TIMED_WAITING：線程調用了sleep, wait, join, LockSupport.parkNanos() 等方法，與 WAITING 狀態不同的是，這些方法帶有表示時間的參數。
其中 Blocked 和 Waiting 有個重要的區別是，阻塞（Blocked）狀態的線程在等待獲取一個排他鎖，例如線程在等待進入一個synchronized關鍵字包圍的臨界區時，就進入 Blocked 狀態。而 Waiting 狀態則是在等待被喚醒，或者等待一段時間。
參考資料《深入理解 Java 虛擬機》第二版 - 周志明
《現代操作系統》第四版 - Andrew S. Tanenbaum
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