线程模型及上下文切换

记录下Java上下文切换的思考。

线程的实现可分为三种方式用户空间实现、内核空间实现和混合实现。

名词解释：
KLT：Kernal Level Thread（内核级线程）
LWT：Light Weight Thread（轻量级线程）
ULT：User Level Thread（用户级线程）

用户空间实现（N:1）：操作系统仅感知进程，而感知不到线程，线程是在用户空间实现（线程创建、销毁及调度）。

N:1

用户空间实现其实类似于目前在Python、Golang中的协程的实现。

优点：线程的调度只是在用户态，减少了操作系统从内核态到用户态的切换开销；
缺点：操作系统不敢知线程，需要设计线程的调度算法和线程对CPU资源的抢占使用，难度较大。

内核空间实现（1:1）：操作系统感知进程和线程，线程是在内核空间实现（线程创建、销毁及调度）。

1:1

Linux已经基于NPTL实现了更符合POSIX标准的线程。

在Linux中，线程被认为轻量级进程(LWP)，它是建立在内核之上并由内核支持的用户线程（内核线程的高度抽象），每一个轻量级进程都与一个特定的内核线程关联。内核线程只能由内核管理并像普通进程一样被调度。

混合实现（M:N）：通过使用用户空间实现、内核空间实现两种实现方式，即可以把线程管理交给内核，又可以利用内核态内切换开销小的特点。

M:N

特点：

Java中到底才用了哪种实现和具体虚拟机的实现有关（一般采用1:1的内核实现）。

Linux是一个多任务操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时运行，通过将CPU轮流分配给它们，让用户感官上任务在同时运行。

多任务的分片执行必然会带来CPU依赖环境的切换，也就是上下文切换，其中包括CPU寄存器和程序计数器。

上下文切换

CPU寄存器：CPU内置的容量小、但速度极快的内存；
程序计数器：存储CPU正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置；

上下文切换可以分为线程上下文切换、进程上下文切换、中断上下文切换。

线程是调度的基本单位，进程则是资源拥有的基本单位。

内核调度的目标实际上对应的是线程，进程提供虚拟内存和全局变量。

上下文切换的内容：

一次系统调用实际上触发了两次上下文切换（用户态->内核态->用户态）。

如果按照1:1模型，Java中的线程就是内核线程，通过内核来调度线程的切换。

线程私有部有程序计数器和虚拟机栈，也是线程上下文切换时需要保存和加载的数据，其中，

Java虚拟机是一个独立的进程，在Java中其实不使用多进程编程，这里和其他语言不太一样。

那为什么Java中不使用多进程编程？

资源的隔离性，一个虚拟机实例对应着一个进程，同一个虚拟机仅负责对应进程的内存管理，如果有一个进程发生异常，并不影响其它的子进程。

在Python中，存在GIL的原因导致多进程编程的存在。

一般来说么，多进程往往应用在隔离性很强的场景下，例如sandbox。

JVM存在的意义在于帮助程序实现自动的内存分配与释放。

进程作为资源管理的基本单元，也就是JVM内存管理的基本单元。