Java线程与Linux内核线程的映射关系

Java线程与Linux内核线程的映射关系Linux从内核2.6开始使用NPTL (Native POSIX Thread Library)支持,但这时线程本质上还轻量级进程。

Java里的线程是由JVM来管理的,它如何对应到操作系统的线程是由JVM的实现来确定的。Linux 2.6上的HotSpot使用了NPTL机制,JVM线程跟内核轻量级进程有一一对应的关系。线程的调度完全交给了操作系统内核,当然jvm还保留一些策略足以影响到其内部的线程调度,举个例子,在linux下,只要一个Thread.run就会调用一个fork产生一个线程。

Java线程在Windows及Linux平台上的实现方式,现在看来,是内核线程的实现方式。这种方式实现的线程,是直接由操作系统内核支持的——由内核完成线程切换,内核通过操纵调度器(Thread Scheduler)实现线程调度,并将线程任务反映到各个处理器上。内核线程是内核的一个分身。程序一般不直接使用该内核线程,而是使用其高级接口,即轻量级进程(LWP),也即线程。这看起来可能很拗口。看图:

(说明:KLT即内核线程Kernel Thread,是“内核分身”。每一个KLT对应到进程P中的某一个轻量级进程LWP(也即线程),期间要经过用户态、内核态的切换,并在Thread Scheduler 下反应到处理器CPU上。)

这种线程实现的方式也有它的缺陷:在程序面上使用内核线程,必然在操作系统上多次来回切换用户态及内核态;另外,因为是一对一的线程模型,LWP的支持数是有限的。

对于一个大型程序,我们可以开辟的线程数量至少等于运行机器的cpu内核数量。java程序里我们可以通过下面的一行代码得到这个数量:

    Runtime.getRuntime().availableProcessors();

所以最小线程数量即时cpu内核数量。如果所有的任务都是计算密集型的,这个最小线程数量就是我们需要的线程数。开辟更多的线程只会影响程序的性能,因为线程之间的切换工作,会消耗额外的资源。如果任务是IO密集型的任务,我们可以开辟更多的线程执行任务。当一个任务执行IO操作的时候,线程将会被阻塞,处理器立刻会切换到另外一个合适的线程去执行。如果我们只拥有与内核数量一样多的线程,即使我们有任务要执行,他们也不能执行,因为处理器没有可以用来调度的线程。

        如果线程有50%的时间被阻塞,线程的数量就应该是内核数量的2倍。如果更少的比例被阻塞,那么它们就是计算密集型的,则需要开辟较少的线程。如果有更多的时间被阻塞,那么就是IO密集型的程序,则可以开辟更多的线程。于是我们可以得到下面的线程数量计算公式:
线程数量=内核数量 / (1 – 阻塞率)
我们可以通过相应的分析工具或者java的management包来得到阻塞率的数值。

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