【操作系統】二、JVM線程與Linux內核線程的映射


Linux從內核2.6開始使用NPTL (Native POSIX Thread Library)支持,但這時線程本質上還輕量級進程。 


Java里的線程是由JVM來管理的,它如何對應到操作系統的線程是由JVM的實現來確定的。Linux 2.6上的HotSpot使用了NPTL機制,JVM線程跟內核輕量級進程有一一對應的關系。線程的調度完全交給了操作系統內核,當然jvm還保留一些策略足以影響到其內部的線程調度,舉個例子,在linux下,只要一個Thread.run就會調用一個fork產生一個線程。

Java線程在Windows及Linux平台上的實現方式,現在看來,是內核線程的實現方式。這種方式實現的線程,是直接由操作系統內核支持的——由內核完成線程切換,內核通過操縱調度器(Thread Scheduler)實現線程調度,並將線程任務反映到各個處理器上。內核線程是內核的一個分身。程序一般不直接使用該內核線程,而是使用其高級接口,即輕量級進程(LWP),也即線程。這看起來可能很拗口。看圖:

(說明:KLT即內核線程Kernel Thread,是“內核分身”。每一個KLT對應到進程P中的某一個輕量級進程LWP(也即線程),期間要經過用戶態、內核態的切換,並在Thread Scheduler 下反應到處理器CPU上。)

這種線程實現的方式也有它的缺陷:在程序面上使用內核線程,必然在操作系統上多次來回切換用戶態及內核態;另外,因為是一對一的線程模型,LWP的支持數是有限的。對於一個大型程序,我們可以開辟的線程數量至少等於運行機器的cpu內核數量。java程序里我們可以通過下面的一行代碼得到這個數量:

    Runtime.getRuntime().availableProcessors();
所以最小線程數量即時cpu內核數量。如果所有的任務都是計算密集型的,這個最小線程數量就是我們需要的線程數。開辟更多的線程只會影響程序的性能,因為線程之間的切換工作,會消耗額外的資源。如果任務是IO密集型的任務,我們可以開辟更多的線程執行任務。當一個任務執行IO操作的時候,線程將會被阻塞,處理器立刻會切換到另外一個合適的線程去執行。如果我們只擁有與內核數量一樣多的線程,即使我們有任務要執行,他們也不能執行,因為處理器沒有可以用來調度的線程。
如果線程有50%的時間被阻塞,線程的數量就應該是內核數量的2倍。如果更少的比例被阻塞,那么它們就是計算密集型的,則需要開辟較少的線程。如果有更多的時間被阻塞,那么就是IO密集型的程序,則可以開辟更多的線程。於是我們可以得到下面的線程數量計算公式:
線程數量=內核數量 / (1 - 阻塞率)
我們可以通過相應的分析工具或者java的management包來得到阻塞率的數值。


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