关于Java线程的实现

在操作系统中，有两种不同的方法提供线程支持：用户层的用户线程，或内核层的内核线程。

其中用户线程在内核之上支持，并在用户层通过线程库来实现。不需要用户态/核心态切换，速度快。操作系统内核不知道多线程的存在，因此一个线程阻塞将使得整个进程（包括它的所有线程）阻塞。由于这里的处理器时间片分配是以进程为基本单位，所以每个线程执行的时间相对减少。

内核线程由操作系统直接支持。由操作系统内核创建、调度和管理。内核维护进程及线程的上下文信息以及线程切换。一个内核线程由于I/O操作而阻塞，不会影响其它线程的运行。

Java线程的实现是怎样的呢？我们通过SUN Java 6的源码了解其在Windows和Linux下的实现。

在Windows下的实现，os_win32.cpp中

// Allocate and initialize a new OSThread
bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t stack_size) {
  unsigned thread_id;

  // Allocate the OSThread object
  OSThread* osthread = new OSThread(NULL, NULL);
  if (osthread == NULL) {
    return false;
  }

  // Initial state is ALLOCATED but not INITIALIZED
  {
    MutexLockerEx ml(thread->SR_lock(), Mutex::_no_safepoint_check_flag);
    osthread->set_state(ALLOCATED);
  }
  
  // Initialize support for Java interrupts
  HANDLE interrupt_event = CreateEvent(NULL, true, false, NULL);
  if (interrupt_event == NULL) {
    delete osthread;
    return NULL;
  }
  osthread->set_interrupt_event(interrupt_event);
  osthread->set_interrupted(false);
  
  thread->set_osthread(osthread);
  
  if (stack_size == 0) {
    switch (thr_type) {
    case os::java_thread:
      // Java threads use ThreadStackSize which default value can be changed with the flag -Xss
      if (JavaThread::stack_size_at_create() > 0)
        stack_size = JavaThread::stack_size_at_create();
      break;
    case os::compiler_thread:
      if (CompilerThreadStackSize > 0) {
        stack_size = (size_t)(CompilerThreadStackSize * K);
        break;
      } // else fall through:
        // use VMThreadStackSize if CompilerThreadStackSize is not defined
    case os::vm_thread:
    case os::pgc_thread:
    case os::cgc_thread:
    case os::watcher_thread:
      if (VMThreadStackSize > 0) stack_size = (size_t)(VMThreadStackSize * K);
      break;
    }
  }

  // Create the Win32 thread
  //
  // Contrary to what MSDN document says, "stack_size" in _beginthreadex()
  // does not specify stack size. Instead, it specifies the size of
  // initially committed space. The stack size is determined by
  // PE header in the executable. If the committed "stack_size" is larger
  // than default value in the PE header, the stack is rounded up to the
  // nearest multiple of 1MB. For example if the launcher has default
  // stack size of 320k, specifying any size less than 320k does not
  // affect the actual stack size at all, it only affects the initial
  // commitment. On the other hand, specifying 'stack_size' larger than
  // default value may cause significant increase in memory usage, because
  // not only the stack space will be rounded up to MB, but also the
  // entire space is committed upfront.
  //
  // Finally Windows XP added a new flag 'STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION'
  // for CreateThread() that can treat 'stack_size' as stack size. However we
  // are not supposed to call CreateThread() directly according to MSDN
  // document because JVM uses C runtime library. The good news is that the
  // flag appears to work with _beginthredex() as well.

#ifndef STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION
#define STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION  (0x10000)
#endif

  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);
  if (thread_handle == NULL) {
    // perhaps STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION is not supported, try again
    // without the flag.
    thread_handle =
    (HANDLE)_beginthreadex(NULL,
                           (unsigned)stack_size,
                           (unsigned (__stdcall *)(void*)) java_start,
                           thread,
                           CREATE_SUSPENDED,
                           &thread_id);
  }
  if (thread_handle == NULL) {
    // Need to clean up stuff we've allocated so far
    CloseHandle(osthread->interrupt_event());
    thread->set_osthread(NULL);
    delete osthread;
    return NULL;
  }
  
  Atomic::inc_ptr((intptr_t*)&os::win32::_os_thread_count);

  // Store info on the Win32 thread into the OSThread
  osthread->set_thread_handle(thread_handle);
  osthread->set_thread_id(thread_id);

  // Initial thread state is INITIALIZED, not SUSPENDED
  {
    MutexLockerEx ml(thread->SR_lock(), Mutex::_no_safepoint_check_flag);
    osthread->set_state(INITIALIZED);
  }

  // The thread is returned suspended (in state INITIALIZED), and is started higher up in the call chain
  return true;
}

可以看出，SUN JVM在Windows下的实现，使用_beginthreadex来创建线程，注释中也说明了为什么不用“Window编程书籍推荐使用”的CreateThread函数。由此看出，Java线程在Window下的实现是使用内核线程。

而在Linux下又是怎样的呢？

在os_linux.cpp文件中的代码摘录如下：

# include <pthread.h>

bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t stack_size) {
  assert(thread->osthread() == NULL, "caller responsible");

  // Allocate the OSThread object
  OSThread* osthread = new OSThread(NULL, NULL);
  if (osthread == NULL) {
    return false;
  }

  // set the correct thread state
  osthread->set_thread_type(thr_type);

  // Initial state is ALLOCATED but not INITIALIZED
  osthread->set_state(ALLOCATED);

  thread->set_osthread(osthread);

  // init thread attributes
  pthread_attr_t attr;
  pthread_attr_init(&attr);
  pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

  // stack size
  if (os::Linux::supports_variable_stack_size()) {
    // calculate stack size if it's not specified by caller
    if (stack_size == 0) {
      stack_size = os::Linux::default_stack_size(thr_type);

      switch (thr_type) {
      case os::java_thread:
        // Java threads use ThreadStackSize which default value can be changed with the flag -Xss
        if (JavaThread::stack_size_at_create() > 0) stack_size = JavaThread::stack_size_at_create();
        break;
      case os::compiler_thread:
        if (CompilerThreadStackSize > 0) {
          stack_size = (size_t)(CompilerThreadStackSize * K);
          break;
        } // else fall through:
          // use VMThreadStackSize if CompilerThreadStackSize is not defined
      case os::vm_thread: 
      case os::pgc_thread: 
      case os::cgc_thread: 
      case os::watcher_thread: 
        if (VMThreadStackSize > 0) stack_size = (size_t)(VMThreadStackSize * K);
        break;
      }
    }

    stack_size = MAX2(stack_size, os::Linux::min_stack_allowed);
    pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size);
  } else {
    // let pthread_create() pick the default value.
  }

  // glibc guard page
  pthread_attr_setguardsize(&attr, os::Linux::default_guard_size(thr_type));

  ThreadState state;

  {
    // Serialize thread creation if we are running with fixed stack LinuxThreads
    bool lock = os::Linux::is_LinuxThreads() && !os::Linux::is_floating_stack();
    if (lock) {
      os::Linux::createThread_lock()->lock_without_safepoint_check();
    }

    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) java_start, thread);

    pthread_attr_destroy(&attr);

    if (ret != 0) {
      if (PrintMiscellaneous && (Verbose || WizardMode)) {
        perror("pthread_create()");
      }
      // Need to clean up stuff we've allocated so far
      thread->set_osthread(NULL);
      delete osthread;
      if (lock) os::Linux::createThread_lock()->unlock();
      return false;
    }

    // Store pthread info into the OSThread
    osthread->set_pthread_id(tid);

    // Wait until child thread is either initialized or aborted
    {
      Monitor* sync_with_child = osthread->startThread_lock();
      MutexLockerEx ml(sync_with_child, Mutex::_no_safepoint_check_flag);
      while ((state = osthread->get_state()) == ALLOCATED) {
        sync_with_child->wait(Mutex::_no_safepoint_check_flag);
      }
    }

    if (lock) {
      os::Linux::createThread_lock()->unlock();
    }
  }

  // Aborted due to thread limit being reached
  if (state == ZOMBIE) {
      thread->set_osthread(NULL);
      delete osthread;
      return false;
  }

  // The thread is returned suspended (in state INITIALIZED),
  // and is started higher up in the call chain
  assert(state == INITIALIZED, "race condition");
  return true;
}

Java在Linux下的线程的创建，使用了pthread线程库，而pthread就是一个用户线程库，因此结论是，Java在Linux下是使用用户线程实现的。