【疑惑】Java多线程与操作系统的“用户级线程”/“核心级线程”

Question

翻阅操作系统的书 得到两个概念，“用户级线程”和“核心级线程”， 而且列举了用户级线程的优缺点。其中，讲到用户级线程的缺点的地方有两点：1、同一进程的多个线程不能真正并行；2、由于线程对操作系统透明，调度处于进程级别，若进程中的一个线程通过系统调用进入操作系统受阻，那么将阻塞该进程

疑惑来了，反思Java的多线程实现是用户级线程：
1、那么Java的多线程实现并发怎么回事，难道骗人的？（CPU多核？）
2、用户级线程调度发生在进程级别，与核心级线程的调度有何区别。
3、网上看到这一说法，求证：内核级线程可以享受到多核的好处？那用户级线程就不能？（参照第一条）

Answer 1

个人之见，仅供参考：

Java的目标是要跨平台，而不同的操作系统(如类Unix和Windows)其任务调度机制有很大的不同，故Java在JVM层面抽象了一套自己的线程机制，用以映射不同的操作系统的任务调度。如你所述的一些缺点，Java在1.1版本之后，这个线程模块就是基于内核级别线程[1]。

首先，如果一个机器上只有一个逻辑CPU，此时系统调度器通过轮换时间片的方式来调度任务，所以不存在真正的并行，只是并发；只有多个逻辑CPU的情形下，才会出现并行；

其次，对于不同的操作系统，其任务调度机制不同：

1. 对于类Unix系统而言，一般都是进程作为任务的调度单位，也即是操作系统调度器，只会针对进程来分配CPU等资源。由于进程彼此独立，相互不可进行直接访问，这增加了应用的通信成本。所以后面有了微进程，微进程与进程不同的是，允许一定程度上，彼此可以直接进行访问，详细可参考LinuxThreads。JVM在一些类Unix平台下，就是将线程映射到操作系统的微进程，来实现线程调度。这样多线程能够直接被系统调度器进行调度，与此对应的就是其线程的创建和销毁的成本就比较高，而且JVM的线程优先级很难进行匹配，无法提供确切的保证，仅仅是个hint。需要说明的是在linux2.6之后，LinuxThreads被NPTL所取代，NPTL提供了1:1形式的线程模型，即每个线程一一对应一个内核调度实体，这样即是内核级别的线程。同样NPTL额外提供可替换的M:N模型Thread。
   linux下jvm创建Thread的调用（openJDK-6-src-b27中的os_linux.cpp中的bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t stack_size)中调用以下API）：
   int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) java_start, thread);
   具体的后续调用跟踪，请参考pthread的实现；
2. 对于Windows系统而言，从其一开始线程就是系统进行调度的最小单位，即Wiki[Thread]中所述的1:1模型。而对于用户态线程和内核态线程，一般是针对N:1模型和M:N模型，即多个用户态线程映射到一个内核线程，系统调度器的调度单位是内核态线程，对用户态线程一无所知。个人对windows的线程模型不是十分了解，按照NPTL和Wiki[Thread]和中的描述，觉得windows直接将线程作为调度单位，不存在用户态线程和内核态线程的区别。需要说明的是，JVM定义的线程优先级和Windows的线程优先级能够很好地匹配。
   windows下jvm创建Thread的调用-（openJDK-6-src-b27中的os_windows.cpp中的bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t stack_size)中调用以下API）：
   HANDLE thread_handle =
(HANDLE)_beginthreadex(NULL,
(unsigned)stack_size,
(unsigned (__stdcall *)(void*)) java_start,
thread,
CREATE_SUSPENDED | STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION,
&thread_id);
   具体后续调用请参考windows的API;

最后，回答你的问题：

1. Java的多线程不是骗人，针对不同的操作系统进行适配，确实实现了并发和并行；
2. 用户级别线程通常发生在进程级别，一般通过系统调用等不同的实现方式来模拟实现并发，而内核级别线程则一般由系统的调度器来调度，是原生级别的并发；
3. 内核级别线程有系统调度器调度，肯定可以享受多核的好处，而用户级别线程是通过模拟实现调度，由于其映射的调度实体(进程或者映射的内核级线程)才是系统调度器的调度单位，所以与内核级线程相比，其对资源的访问确实存在一定的限制。详细的内容或者想继续深入了解，请再多参考参考wiki等文献。

Answer 2

1. 并发跟并行不是一回事。多核跟多线程也不是一回事。多线程是为了最大效率利用单核CPU的性能。
2. 用户级线程对于系统来说，都是作为一个进程看待。线程切换由用户自己控制。系统级线程需要在用户态跟内核态中切换，系统控制。
   3.能不能我不知道。不过如果不能的话，就要粗大事了。

Answer 3

你看看这个吧

Answer 4

不太了解Java中的多线程，看描述，似乎和python的多线程类似？
python中线程的调度是交给解释器Global Interpreter Lock的，不同的线程一个个进入解释器执行。而何时调调度哪个线程，这个则完全交给操作系统去做。这应该就是您所问的用户级线程调度吧。
在通信系统上，调度的概念就是有先有后，不是真正意义的并发。一般情况下，用户是不会对调度带来的短暂停滞有所觉察的。