鴻蒙OS 4.0公測(cè)機(jī)型公布：甚至連nova6都支持
華為全新的HarmonyOS 4.0操作系統(tǒng)將于今天下午正式登場(chǎng)，官方在發(fā)布會(huì)之前也已經(jīng)正式給出了可升級(jí)的機(jī)型產(chǎn)品，這意味著這些機(jī)型會(huì)率先支持升級(jí)享用。這次的HarmonyOS 4.0支持
現(xiàn)代操作系統(tǒng)在運(yùn)行一個(gè)程序時(shí)，會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，例如，我們啟動(dòng)一個(gè) Java 程序，系統(tǒng)就會(huì)創(chuàng)建一個(gè) Java 進(jìn)程，在一個(gè)進(jìn)程里可以創(chuàng)建多個(gè)線程，這些線程擁有自己的計(jì)數(shù)器、堆棧和局部變量等屬性，引入線程的概念可以將一個(gè)進(jìn)程的資源分配和執(zhí)行調(diào)度分開(kāi)，并且能夠訪問(wèn)共享的內(nèi)存變量，如內(nèi)存地址和文件 I/O 等，線程是計(jì)算機(jī)中比進(jìn)程更輕量級(jí)的調(diào)度執(zhí)行單元，也是系統(tǒng)調(diào)度的最小單元，也叫輕量級(jí)進(jìn)程（Light Weight Process, LWP），CPU 在這些線程上高速切換，讓使用者感覺(jué)到這些線程在同時(shí)執(zhí)行。
一個(gè) Java 程序從 main() 方法開(kāi)始執(zhí)行，然后按照既定的代碼邏輯執(zhí)行，看似沒(méi)有其他線程參與，但實(shí)際上 Java 程序天生就是多線程程序，因?yàn)閳?zhí)行 main() 方法的是一個(gè)名稱為 main 的線程。我們通過(guò)一段代碼看下一個(gè)普通的 Java 程序包含哪些線程。
public class thread { public static void main(String[] args) { // 獲取Java線程管理 ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean(); // 僅獲取線程和線程堆棧信息 ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false); // 遍歷線程信息，僅僅打印線程 ID 和線程名稱信息 for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) { System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "]" + threadInfo.getThreadName()); } }}
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可以看到，一個(gè) Java 程序的運(yùn)行不僅僅是 main() 方法的運(yùn)行，而是 main 線程和多個(gè)其他線程的同時(shí)運(yùn)行。
主流的操作系統(tǒng)都提供了線程實(shí)現(xiàn)。Java 語(yǔ)言則提供了在不同硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)下對(duì)線程操作統(tǒng)一處理的能力。在 Java 中，每個(gè)已經(jīng)執(zhí)行 start() 方法且尚未結(jié)束的 java.lang.Thread 類的實(shí)例代表一個(gè)線程。
查看 JDK 的 Thread 類可以看到 Thread 類與大部分 Java API 有明顯的差異，它的關(guān)鍵方法都被聲明為 Native。在 Java API 中，Native 方法通常意味著該方法沒(méi)有使用或無(wú)法使用平臺(tái)無(wú)關(guān)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)（說(shuō)明需要操作的是很底層的東西了，已經(jīng)脫離了 Java 語(yǔ)言層面的范疇）。
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實(shí)現(xiàn)線程主要有 3 種方式：使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)（ 1:1 實(shí)現(xiàn)）、使用用戶線程實(shí)現(xiàn)（ N:1 實(shí)現(xiàn)）和使用用戶線程加輕量級(jí)進(jìn)程混合實(shí)現(xiàn)（ N:M 實(shí)現(xiàn)）。
內(nèi)核線程（Kernel-Level Thread, KLT）是由操作系統(tǒng)內(nèi)核直接支持的線程，內(nèi)核通過(guò)操縱調(diào)度器（Scheduler）對(duì)線程進(jìn)行調(diào)度，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上。下圖中 KLT 線程上面都有一個(gè) LWP 與之對(duì)應(yīng)，每個(gè)內(nèi)核線程可以視為內(nèi)核的一個(gè)分身，這樣操作系統(tǒng)就能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，從而支持多線程。
程序一般不會(huì)直接使用內(nèi)核線程，而是使用內(nèi)核線程的一種高級(jí)接口——輕量級(jí)進(jìn)程（Light Weight Process, LWP）。輕量級(jí)進(jìn)程是我們通常所說(shuō)的線程，由于每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都由一個(gè)內(nèi)核線程支持，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有輕量級(jí)進(jìn)程。輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線程之間是一對(duì)一的關(guān)系，稱為一對(duì)一的線程模型。
由于內(nèi)核線程的支持，每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都成為一個(gè)獨(dú)立的調(diào)度單元，即使有一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程在系統(tǒng)調(diào)用中阻塞了，也不會(huì)影響整個(gè)進(jìn)程繼續(xù)工作。但輕量級(jí)進(jìn)程也有一些局限性：由于是基于內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)的，各種線程操作，如創(chuàng)建、析構(gòu)及同步，都需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用的代價(jià)相對(duì)較高，需要在用戶態(tài)（User Mode）和內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode）之間來(lái)回切換。其次，每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都需要有一個(gè)內(nèi)核線程的支持，因此輕量級(jí)進(jìn)程要消耗一定的內(nèi)核資源（例如內(nèi)核線程的棧空間），因此一個(gè)系統(tǒng)支持輕量級(jí)進(jìn)程的數(shù)量是有限的。
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輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線程之間1:1的示意圖
用戶線程是指完全建立在用戶空間線程庫(kù)之上的線程實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)其不可感知。即所有的用戶線程都會(huì)對(duì)應(yīng)到一個(gè)內(nèi)核線程中，用戶線程的創(chuàng)建、同步、銷毀和調(diào)度完全在用戶空間中完成，無(wú)需內(nèi)核的幫助。如果程序?qū)崿F(xiàn)得當(dāng)，這些線程無(wú)需切換到內(nèi)核模式，從而實(shí)現(xiàn)快速且低開(kāi)銷的操作。它們還可以支持更多的線程數(shù)量，因此在高性能數(shù)據(jù)庫(kù)等場(chǎng)景中經(jīng)常使用用戶線程。進(jìn)程與用戶線程之間的關(guān)系采用一對(duì)多的線程模型。
使用用戶線程的優(yōu)勢(shì)在于不需要系統(tǒng)內(nèi)核的支持。然而劣勢(shì)在于它們也缺乏系統(tǒng)內(nèi)核的支持，所有線程操作都需要用戶程序自己處理。需要考慮線程創(chuàng)建、切換和調(diào)度等問(wèn)題。在某一線程被阻塞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)所屬進(jìn)程阻塞。Java 曾經(jīng)使用過(guò)用戶線程，但最終放棄了使用它們。但是比如 Golang、Erlang 等一些新的、以高并發(fā)為賣點(diǎn)的變成語(yǔ)言普遍支持了用戶線程。
進(jìn)程與用戶線程之間N:1的關(guān)系示意圖
內(nèi)核線程和用戶線程結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式。在這種混合實(shí)現(xiàn)中，用戶線程和輕量級(jí)進(jìn)程同時(shí)存在。用戶線程仍然完全建立在用戶空間中，因此創(chuàng)建、切換和銷毀用戶線程的操作仍然是廉價(jià)的，并且可以同時(shí)支持大量的用戶線程。操作系統(tǒng)提供對(duì)輕量級(jí)進(jìn)程的支持，它們充當(dāng)用戶線程和內(nèi)核線程之間的橋梁。這樣可以利用內(nèi)核提供的線程調(diào)度和處理器映射功能。用戶線程的系統(tǒng)調(diào)用通過(guò)輕量級(jí)進(jìn)程來(lái)處理，大大降低了整個(gè)進(jìn)程被完全阻塞的風(fēng)險(xiǎn)。在這種混合模型中，用戶線程和輕量級(jí)進(jìn)程的比例可以變化，形成一個(gè) N:M 的關(guān)系。
許多 UNIX 系列的操作系統(tǒng)都提供了 N:M 的線程模型實(shí)現(xiàn)。這些操作系統(tǒng)上的應(yīng)用也相對(duì)更容易應(yīng)用 N:M 的線程模型。
用戶線程與輕量級(jí)進(jìn)程之間N:M的關(guān)系示意圖
操作系統(tǒng)支持怎么樣的線程模型，很大程度上會(huì)影響上面的 Java 虛擬機(jī)的線程是怎么映射的，JVM 規(guī)范里面沒(méi)有規(guī)定，必須使用哪一種模型。線程模型主要影響線程的并發(fā)規(guī)模和操作成本，對(duì)于 Java 程序的編碼和運(yùn)行過(guò)程來(lái)說(shuō)，這些差異都是透明的， Java 作為上層應(yīng)用，其實(shí)是感知不到上面三種模型之間的區(qū)別的，即開(kāi)發(fā)者無(wú)需關(guān)注具體的線程模型細(xì)節(jié)。
在 JDK 1.2 之前，Java 線程使用的是稱為“綠色線程”（Green Threads）的用戶級(jí)線程實(shí)現(xiàn)。但是在 JDK 1.3 起，線程模型被替換為基于操作系統(tǒng)原生線程模型的實(shí)現(xiàn)方式，即采用 1:1 的線程模型。
Java SE 最常用的 JVM 是 Oracle/Sun 研發(fā)的 HotSpot VM。在這個(gè) JVM 的較新版本所支持的所有平臺(tái)上，它都是使用 1:1 線程模型的——除了 Solaris 之外，它是個(gè)特例。也就是說(shuō)一個(gè) Java 線程是直接通過(guò)一個(gè)操作系統(tǒng)原生線程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，中間并沒(méi)有額外的間接結(jié)構(gòu)。而且 HotSpot VM 自己也不干涉線程的調(diào)度，全權(quán)交給底下的 OS 去處理。
線程調(diào)度是指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過(guò)程，主要調(diào)度方式有兩種，分別是協(xié)同式線程調(diào)度（Cooperative Threads-Scheduling）和搶占式線程調(diào)度（Preemptive Threads-Scheduling）。
如果在多線程系統(tǒng)中使用協(xié)同式調(diào)度，每個(gè)線程的執(zhí)行時(shí)間由線程自身控制。在完成工作后，線程需要主動(dòng)通知系統(tǒng)切換到另一個(gè)線程。協(xié)同式多線程的主要優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單性，由于線程切換由線程自身知曉，因此不存在線程同步問(wèn)題。協(xié)同式調(diào)度也存在明顯的缺點(diǎn)。線程的執(zhí)行時(shí)間無(wú)法控制，如果一個(gè)線程出現(xiàn)問(wèn)題并且沒(méi)有通知系統(tǒng)切換線程，整個(gè)進(jìn)程可能會(huì)無(wú)限期地被阻塞。
如果一個(gè)多線程系統(tǒng)采用搶占式調(diào)度，系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)線程分配執(zhí)行時(shí)間，線程切換不由線程自身決定（在 Java 中，Thread.yield() 可以讓出執(zhí)行時(shí)間，但線程本身無(wú)法控制獲取執(zhí)行時(shí)間）。在這種線程調(diào)度實(shí)現(xiàn)中，線程的執(zhí)行時(shí)間由系統(tǒng)控制，不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)線程阻塞整個(gè)進(jìn)程的情況。Java 使用搶占式調(diào)度作為其線程調(diào)度機(jī)制。如果一個(gè)進(jìn)程遇到問(wèn)題，我們可以使用“任務(wù)管理器”終止該進(jìn)程，而不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
說(shuō)到計(jì)算調(diào)度這里還要說(shuō)一下 CPU 時(shí)間片
在單個(gè)處理器的時(shí)期，操作系統(tǒng)就能處理多線程并發(fā)任務(wù)。處理器給每個(gè)線程分配 CPU 時(shí)間片（Time Slice），線程在分配獲得的時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。CPU 時(shí)間片是 CPU 分配給每個(gè)線程執(zhí)行的時(shí)間段，一般為幾十毫秒。在這么短的時(shí)間內(nèi)線程互相切換，我們根本感覺(jué)不到，所以看上去就好像是同時(shí)進(jìn)行的一樣。
時(shí)間片決定了一個(gè)線程可以連續(xù)占用處理器運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)一個(gè)線程的時(shí)間片用完了，或者因自身原因被迫暫停運(yùn)行了，這個(gè)時(shí)候，另外一個(gè)線程（可以是同一個(gè)線程或者其它進(jìn)程的線程）就會(huì)被操作系統(tǒng)選中，來(lái)占用處理器。這種一個(gè)線程被暫停剝奪使用權(quán)，另外一個(gè)線程被選中開(kāi)始或者繼續(xù)運(yùn)行的過(guò)程就叫做上下文切換。
當(dāng)一個(gè)線程讓出 CPU 時(shí)間片時(shí)，它需要記錄下整個(gè)執(zhí)行上下文，以便在恢復(fù)執(zhí)行時(shí)從上次離開(kāi)的地方繼續(xù)。這包括變量、計(jì)算結(jié)果、程序計(jì)數(shù)器等等。就像是對(duì)線程的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行快照，這樣當(dāng)它重新獲得 CPU 時(shí)間時(shí)，可以通過(guò)檢索保存的數(shù)據(jù)快速恢復(fù)先前的執(zhí)行上下文。這個(gè)過(guò)程被稱為“上下文切換”。
在一個(gè)擁有多個(gè) CPU 的系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)以循環(huán)方式將 CPU 分配給不同的線程。這導(dǎo)致上下文切換更加頻繁，特別是在跨不同 CPU 進(jìn)行上下文切換時(shí)，比單個(gè) CPU 內(nèi)的上下文切換更加昂貴。
在操作系統(tǒng)中，上下文切換可以發(fā)生在進(jìn)程之間或線程之間。在多線程編程的背景下，我們主要關(guān)注線程之間上下文切換的性能影響。現(xiàn)在，讓我們探討一下多線程中上下文切換的原因。但在此之前，讓我們先了解一下系統(tǒng)線程的生命周期狀態(tài)。
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系統(tǒng)線程主要有“新建”（NEW）、“就緒”（RUNNABLE）、“運(yùn)行”（RUNNING）、“阻塞”（BLOCKED）、“死亡”（DEAD）五種狀態(tài)。到了 Java 層面它們都被映射為了 NEW、RUNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINADTED 等 6 種狀態(tài)。
在這個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，線程由 RUNNABLE 轉(zhuǎn)為非 RUNNABLE 的過(guò)程就是線程上下文切換。一個(gè)線程的狀態(tài)由 RUNNING 轉(zhuǎn)為 BLOCKED ，再由 BLOCKED 轉(zhuǎn)為 RUNNABLE ，然后再被調(diào)度器選中執(zhí)行，這就是一個(gè)上下文切換的過(guò)程。多線程的上下文切換實(shí)際上就是由多線程兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的互相切換導(dǎo)致的。
那么在線程運(yùn)行時(shí)，線程狀態(tài)由 RUNNING 轉(zhuǎn)為 BLOCKED 或者由 BLOCKED 轉(zhuǎn)為 RUNNABLE，是怎么誘發(fā)的呢？
系統(tǒng)線程切換可以由多種情況下誘發(fā)，包括但不限于以下幾種情況：
我們可以分兩種情況來(lái)分析，一種是程序本身觸發(fā)的切換，這種我們稱為自發(fā)性上下文切換，另一種是由系統(tǒng)或者虛擬機(jī)誘發(fā)的非自發(fā)性上下文切換。
接下來(lái)我們看一段代碼，來(lái)對(duì)比串聯(lián)執(zhí)行和并發(fā)執(zhí)行的速度
package com.yuyy.test;public class DemoApplication { public static void main(String[] args) { // 運(yùn)行多線程 MultiThreadTester test1 = new MultiThreadTester(); test1.Start(); // 運(yùn)行單線程 SerialTester test2 = new SerialTester(); test2.Start(); } static class MultiThreadTester extends ThreadContextSwitchTester { @Override public void Start() { long start = System.currentTimeMillis(); MyRunnable myRunnable1 = new MyRunnable(); Thread[] threads = new Thread[4]; // 創(chuàng)建多個(gè)線程 for (int i = 0; i < 4; i++) { threads[i] = new Thread(myRunnable1); threads[i].start(); } for (int i = 0; i < 4; i++) { try { // 等待一起運(yùn)行完 threads[i].join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("multi thread exec time: " + (end - start) + "s"); System.out.println("counter: " + counter); } // 創(chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)Runnable的類 class MyRunnable implements Runnable { public void run() { while (counter < 100000000) { synchronized (this) { if(counter < 100000000) { increaseCounter(); } } } } } } // 創(chuàng)建一個(gè)單線程 static class SerialTester extends ThreadContextSwitchTester{ @Override public void Start() { long start = System.currentTimeMillis(); for (long i = 0; i < count; i++) { increaseCounter(); } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("serial exec time: " + (end - start) + "s"); System.out.println("counter: " + counter); } } static abstract class ThreadContextSwitchTester { public static final int count = 100000000; public volatile int counter = 0; public void increaseCounter() { this.counter += 1; } public abstract void Start(); }}執(zhí)行之后，看一下兩者的時(shí)間測(cè)試結(jié)果：串聯(lián)的執(zhí)行速度比并發(fā)的執(zhí)行速度要快。這就是因?yàn)榫€程的上下文切換導(dǎo)致了額外的開(kāi)銷。
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雖然 Java 線程調(diào)度由系統(tǒng)自動(dòng)處理，但我們?nèi)匀豢梢浴敖ㄗh”系統(tǒng)為某些線程分配更多的執(zhí)行時(shí)間，而為其他線程分配較少的執(zhí)行時(shí)間。這可以通過(guò)設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Java 語(yǔ)言提供了 10 個(gè)級(jí)別的線程優(yōu)先級(jí)。當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)處于 Ready 狀態(tài)時(shí)，優(yōu)先級(jí)較高的線程更有可能被系統(tǒng)選擇執(zhí)行，其實(shí)就是讓高優(yōu)先級(jí)的線程獲得更多的CPU 時(shí)間片。
設(shè)置優(yōu)先級(jí)有助于”線程規(guī)劃期“確定在下一次選擇哪一個(gè)線程來(lái)優(yōu)先執(zhí)行，設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)使用 setPriority() 方法
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但是，線程優(yōu)先級(jí)并不總是可靠的，因?yàn)?Java 線程最終是通過(guò)映射到底層操作系統(tǒng)的原生線程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，線程調(diào)度仍然取決于操作系統(tǒng)。盡管許多操作系統(tǒng)提供了線程優(yōu)先級(jí)的概念，但它們不一定直接對(duì)應(yīng)于 Java 線程優(yōu)先級(jí)。例如，Solaris 擁有 2,147,483,648（2^32）個(gè)優(yōu)先級(jí)級(jí)別，而 Windows 只有 7 個(gè)。如果操作系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)級(jí)別多于 Java，將它們映射是相對(duì)簡(jiǎn)單的，可以在它們之間留下一些空位。然而，如果操作系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)級(jí)別少于 Java，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)優(yōu)先級(jí)映射到同一級(jí)別的情況。
下圖顯示了 Java 線程優(yōu)先級(jí)與 Windows 線程優(yōu)先級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不包括 THREAD_PRIORITY_IDLE，因?yàn)樗?Windows 平臺(tái)的 JDK 中未使用。因此如果在 Java 程序中對(duì)兩個(gè)線程設(shè)置的優(yōu)先級(jí)分別是 3 和 4 那么對(duì)于Windows 來(lái)說(shuō)他們的優(yōu)先級(jí)還是一致的。還有例如 Windows 系統(tǒng)中存在一個(gè)叫做“優(yōu)先級(jí)推進(jìn)器”的功能，大致作用是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)線程被執(zhí)行的特別頻繁的時(shí)候，可能會(huì)越過(guò)線程優(yōu)先級(jí)去為它分配執(zhí)行時(shí)間，從而減少線程頻繁切換而帶來(lái)的性能損耗。因此我們?cè)诔绦蛑胁⒉荒芘袛嗤瑯訛榫途w狀態(tài)且優(yōu)先級(jí)一致的多個(gè)線程系統(tǒng)會(huì)先執(zhí)行哪一個(gè)。
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對(duì)于任何支持多線程的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，深入理解線程及寫好多線程程序，都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。本主要簡(jiǎn)述 Java 線程與操作系統(tǒng)線程之間的關(guān)系。java 中的線程和操作系統(tǒng)中的線程分別存在于虛擬機(jī)和操作系統(tǒng)中，一個(gè) Java 線程是直接通過(guò)一個(gè)操作系統(tǒng)線程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中還有很多值得深挖的點(diǎn)。大家有興趣的話，可以仔細(xì)研究一下。
深入理解Java虛擬機(jī)（第3版）
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