常用语言的线程模型（Java、go、C++、python3）

背景知识

• 软件是如何驱动硬件的？
  硬件是需要相关的驱动程序才能执行，而驱动程序是安装在操作系统内核中。如果写了一个程序A，A程序想操作硬件工作，首先需要进行系统调用，由内核去找对应的驱动程序驱使硬件工作。而驱动程序怎么让硬件工作的呢？驱动程序作为硬件和操作系统之间的媒介，可以把操作系统中相关的指令翻译成硬件能够识别的电信号，同时，驱动程序也可以将硬件的电信号转为操作系统能够识别的指令。
  
• 进程、轻量级进程、线程关系
  一个进程由于所运行的空间不同，被分为内核线程和用户进程，之所有称之为内核线程，是因为其不拥有虚拟地址空间。如果创建一个新的用户进程，会分配一个新的虚拟地址空间，不同用户进程之间资源是隔离的。由于创建一个新的进程需要消耗很多的资源，并且在进程之间切换的代价也很昂贵，因此引入了轻量级进程。轻量级进行本质上也是对内核线程的高层抽象，虽然不同的轻量级进程之间可以共享某些资源，但由于轻量级进程本质上还是内核线程，如果进行轻量级线程之间的切换，需要进行系统调用，代价也是比较昂贵的。内核本质上只能感知到进程的存在，像不同语言的多线程技术，是在用户进程的基础上创建的线程库，线程本身不参与处理器竞争，而是由其所属的用户进程参与处理器的竞争。
  
• 如何理解用户态和内核态
  首先我们需要理解到计算机资源是有限的，不管是CPU资源、内存资源、IO资源、网络资源，为了保证这些资源的合理利用，需要有一个管控机制，而这个管控机制都是交于操作系统来处理的。用户态和内核态是操作系统的一种逻辑划分，本质上是进行权限控制，处于用户态的进程可以直接使用分配给其的内存空间，但如果想使用CPU等稀缺资源，处于用户态的进程就没有这个权限了，必须通过系统调用，让当前进程进入内核态，这样可以有更大的权限去申请CPU资源、内存资源、IO资源等；
  

操作系统线程模型


java语言

线程模型

在Java诞生之初，在Java中就引入了线程，最初称之为“绿色线程”，完全由JVM进行管理，这和操作系统用户线程是多对一的实现，但随着操作系统对线程支持越来越强大，java中的线程实现采用了一对一的实现，即一个java线程对应于一个操作系统用户线程，但是这个线程的堆栈大小是固定的，随着线程数量创建过多，可能导致内存溢出。在java19版本中引入了虚拟线程的概念，虚拟线程有一个动态的堆栈，可以增大和缩小，这和操作系统用户线程之间是一个多对多的关系，随着后面的发展，java中的线程模型会变得越来越强大。

优缺点

作为一对一的线程模型维护起来比较简单，但是由于每一个线程栈信息是固定的，不利于创建大量的线程，并且多线程操作时可能涉及频繁的系统调用，上下文切换代价高。
使用方式(以生产者消费者模型来说明)

1. public class ThreadTest {
3.     public static final Object P = new Object();
5.     static List<Integer> list = new ArrayList<>();
7.     @Test
8.     public void test() throws Exception {
10.         Thread thread1 = new Thread(()-> {
11.             while(true) {
12.                 try {
13.                     product();
14.                 }catch (Exception e) {
15.                     e.printStackTrace();
16.                 }
17.             }
18.         });
19.         Thread thread2 = new Thread(() -> {
20.             while(true) {
21.                 try {
22.                     consume();
23.                 }catch (Exception e) {
24.                     e.printStackTrace();
25.                 }
26.             }
27.         });
28.         thread1.start();
29.         thread2.start();
31.         thread1.join();
32.         thread2.join();
33.     }
35.     private static void product() throws Exception {
36.         synchronized (P) {
37.             if(list.size() == 1) {
38.                 // 让出锁
39.                 P.wait();
40.             }
41.             list.add(1);
42.             System.out.println("produce");
43.             P.notify();
44.         }
45.     }
47.     private static void consume() throws Exception {
48.         synchronized (P) {
49.             if(list.size() == 0) {
50.                 P.wait();
51.             }
52.             list.remove(list.size() - 1);
53.             System.out.println("consume");
54.             P.notify();
55.         }
56.     }
57. }

复制代码

go语言

go语言线程模型

在go语言中，线程模型就是比较强大了，包含了三个概念：内核线程（M）、goroutine(G)、G的上下文环境（P）。其中G表示基于协程创建的用户线程，M直接关联一个内核线程，P里面一般存放正在运行的goroutine的上下文环境（函数指针、堆栈地址和地址边界等）。

优缺点

go语言中的线程模型算是很强大了，引用了协程，线程栈大小可以动态调整，很好地避免了java中目前的线程模型缺点。
使用方式(以生产者消费者模型来说明)

[code]package mainimport (        "fmt")type ThreadTest struct {        lock chan int}func (t *ThreadTest) produce() {        for {                t.lock