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面试官:Java 线程如何启动的?

2021-12-01 18:00 https://my.oschina.net/u/4526289/blog/5336250 华为云开发者社区 次阅读 条评论
摘要:Java 的线程创建和启动非常简单,但如果问一个线程是怎么启动起来的往往并不清楚,甚至不知道为什么启动时是调用start(),而不是调用run()方法呢?

本文分享自华为云社区《Thread.start() ,工作这么久,还不知道它是怎么让线程跑起来的!》,作者:小傅哥。

面试官:我考你个题,看看你进大厂的几率大不。嗯... Java 线程如何启动的?

谢飞机:如何启动的?start 启动的!

面试官:还有吗?

谢飞机:嗯…,没了!

面试官:嗯,可能会与不会这一个题并不会让你代码有多牛、有多好,但是你的技术栈深度和广度,决定你的编程职业生涯是否有一条康庄大道。还是要多努力!

一、线程启动分析

new Thread(() -> {

    // todo

}).start();

咳咳,Java 的线程创建和启动非常简单,但如果问一个线程是怎么启动起来的往往并不清楚,甚至不知道为什么启动时是调用start(),而不是调用run()方法呢?

那么,为了让大家有一个更直观的认知,我们先站在上帝视角。把这段 Java 的线程代码,到 JDK 方法使用,以及 JVM 的相应处理过程,展示给大家,以方便我们后续逐步分析。

以上,就是一个线程启动的整体过程分析,会涉及到如下知识点:

  • 线程的启动会涉及到本地方法(JNI)的调用,也就是那部分 C++ 编写的代码。
  • JVM 的实现中会有不同操作系统对线程的统一处理,比如:Win、Linux、Unix。
  • 线程的启动会涉及到线程的生命周期状态(RUNNABLE),以及唤醒操作,所以最终会有回调操作。也就是调用我们的 run() 方法

接下来,我们就开始逐步分析每一步源码的执行内容,从而了解线程启动过程。

二、线程启动过程

1. Thread start UML 图

如图 19-2 是线程的启动过程时序图,整体的链路较长,会涉及到 JVM 的操作。核心源码如下:

  1. Thread.c
  2. jvm.cpp
  3. thread.cpp
  4. os.cpp
  5. os_linux.cpp
  6. os_windows.cpp
  7. vmSymbols.hpp

2. Java 层面 Thread 启动

2.1 start() 方法

new Thread(() -> {

    // todo

}).start();



// JDK 源码

public synchronized void start() {



    if (threadStatus != 0)

        throw new IllegalThreadStateException();



    group.add(this);

    boolean started = false;

    try {

        start0();

        started = true;

    } finally {

        try {

            if (!started) {

                group.threadStartFailed(this);

            }

        } catch (Throwable ignore) {}

    }

}
  • 线程启动方法 start(),在它的方法英文注释中已经把核心内容描述出来。Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine calls the run method of this thread. 这段话的意思是:由 JVM 调用此线程的 run 方法,使线程开始执行。其实这就是一个 JVM 的回调过程,下文源码分析中会讲到
  • 另外 start() 是一个 synchronized 方法,但为了避免多次调用,在方法中会由线程状态判断。threadStatus != 0。
  • group.add(this),是把当前线程加入到线程组,ThreadGroup。
  • start0(),是一个本地方法,通过 JNI 方式调用执行。这一步的操作才是启动线程的核心步骤。

2.2 start0() 本地方法

// 本地方法 start0

private native void start0();



// 注册本地方法

public class Thread implements Runnable {

    /* Make sure registerNatives is the first thing <clinit> does. */

    private static native void registerNatives();

    static {

        registerNatives();

    }

    // ...

}
  • start0(),是一个本地方法,用于启动线程。
  • registerNatives(),这个方法是用于注册线程执行过程中需要的一些本地方法,比如:start0、isAlive、yield、sleep、interrupt0等。

registerNatives,本地方法定义在 Thread.c 中,以下是定义的核心源码:

static JNINativeMethod methods[] = {

    {"start0",           "()V",        (void *)&JVM_StartThread},

    {"stop0",            "(" OBJ ")V", (void *)&JVM_StopThread},

    {"isAlive",          "()Z",        (void *)&JVM_IsThreadAlive},

    {"suspend0",         "()V",        (void *)&JVM_SuspendThread},

    {"resume0",          "()V",        (void *)&JVM_ResumeThread},

    {"setPriority0",     "(I)V",       (void *)&JVM_SetThreadPriority},

    {"yield",            "()V",        (void *)&JVM_Yield},

    {"sleep",            "(J)V",       (void *)&JVM_Sleep},

    {"currentThread",    "()" THD,     (void *)&JVM_CurrentThread},

    {"interrupt0",       "()V",        (void *)&JVM_Interrupt},

    {"holdsLock",        "(" OBJ ")Z", (void *)&JVM_HoldsLock},

    {"getThreads",        "()[" THD,   (void *)&JVM_GetAllThreads},

    {"dumpThreads",      "([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads},

    {"setNativeName",    "(" STR ")V", (void *)&JVM_SetNativeThreadName},

};
  • 从定义中可以看到,start0 方法会执行 &JVM_StartThread 方法,最终由 JVM 层面启动线程。

3. JVM 创建线程

3.1 JVM_StartThread

JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))

  JVMWrapper("JVM_StartThread");

  JavaThread *native_thread = NULL;

 

  // 创建线程

  native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);

  // 启动线程

  Thread::start(native_thread);



JVM_END
  • 这部分代码比较多,但核心内容主要是创建线程和启动线程,另外 &thread_entry 也是一个方法,如下:

thread_entry,线程入口

static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) {

  HandleMark hm(THREAD);

  Handle obj(THREAD, thread->threadObj());

  JavaValue result(T_VOID);

  JavaCalls::call_virtual(&result,

                          obj,

                          KlassHandle(THREAD, SystemDictionary::Thread_klass()),

                          vmSymbols::run_method_name(),

                          vmSymbols::void_method_signature(),

                          THREAD);

}

重点,在创建线程引入这个线程入口的方法时,thread_entry 中包括了 Java 的回调函数 JavaCalls::call_virtual。这个回调函数会由 JVM 调用。

vmSymbols::run_method_name(),就是那个被回调的方法,源码如下:

#define VM_SYMBOLS_DO(template, do_alias)

template(run_method_name, "run")
  • 这个 run 就是我们的 Java 程序中会被调用的 run 方法。接下来我们继续按照代码执行链路,寻找到这个被回调的方法在什么时候调用的。

3.2 JavaThread

native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);

接下来,我们继续看 JavaThread 的源码执行内容。

JavaThread::JavaThread(ThreadFunction entry_point, size_t stack_sz) :

  Thread()

#if INCLUDE_ALL_GCS

  , _satb_mark_queue(&_satb_mark_queue_set),

  _dirty_card_queue(&_dirty_card_queue_set)

#endif // INCLUDE_ALL_GCS

{

  if (TraceThreadEvents) {

    tty->print_cr("creating thread %p", this);

  }

  initialize();

  _jni_attach_state = _not_attaching_via_jni;

  set_entry_point(entry_point);

  // Create the native thread itself.

  // %note runtime_23

  os::ThreadType thr_type = os::java_thread;

  thr_type = entry_point == &compiler_thread_entry ? os::compiler_thread :os::java_thread;

  os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);

}
  • ThreadFunction entry_point,就是我们上面的 thread_entry 方法。
  • size_t stack_sz,表示进程中已有的线程个数。
  • 这两个参数,都会传递给 os::create_thread 方法,用于创建线程使用。

3.3 os::create_thread

源码

  • os_linux.cpp:
  • os_windows.cpp:

众所周知,JVM 是个啥!,所以它的 OS 服务实现,Liunx 还有 Windows 等,都会实现线程的创建逻辑。这有点像适配器模式

os_linux -> os::create_thread

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);

  // Initial state is ALLOCATED but not INITIALIZED

  osthread->set_state(ALLOCATED);

 

  pthread_t tid;

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



  return true;

}
  • osthread->set_state(ALLOCATED),初始化已分配的状态,但此时并没有初始化。
  • pthread_create,是类Unix操作系统(Unix、Linux、Mac OS X等)的创建线程的函数。
  • java_start,重点关注类,是实际创建线程的方法。

3.4 java_start

static void *java_start(Thread *thread) {



  // 线程ID

  int pid = os::current_process_id();



  // 设置线程

  ThreadLocalStorage::set_thread(thread);



  // 设置线程状态:INITIALIZED 初始化完成

  osthread->set_state(INITIALIZED);

 

  // 唤醒所有线程

  sync->notify_all();



 // 循环,初始化状态,则一致等待 wait

 while (osthread->get_state() == INITIALIZED) {

    sync->wait(Mutex::_no_safepoint_check_flag);

 }



  // 等待唤醒后,执行 run 方法

  thread->run();



  return 0;

}
  • JVM 设置线程状态,INITIALIZED 初始化完成。
  • sync->notify_all(),唤醒所有线程。
  • osthread->get_state() == INITIALIZED,while 循环等待
  • thread->run(),是等待线程唤醒后,也就是状态变更后,才能执行到。这在我们的线程执行UML图中,也有所体现

4. JVM 启动线程

JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))

  JVMWrapper("JVM_StartThread");

  JavaThread *native_thread = NULL;

 

  // 创建线程

  native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);

  // 启动线程

  Thread::start(native_thread);



JVM_END
  • JVM_StartThread 中有两步,创建(new JavaThread)、启动(Thread::start)。创建的过程聊完了,接下来我们聊启动。

4.1 Thread::start

void Thread::start(Thread* thread) {

  trace("start", thread);



  if (!DisableStartThread) {

    if (thread->is_Java_thread()) {

      java_lang_Thread::set_thread_status(((JavaThread*)thread)->threadObj(),

                                          java_lang_Thread::RUNNABLE);

    }

    // 不同的 OS 会有不同的启动代码逻辑

    os::start_thread(thread);

  }

}
  • 如果没有禁用线程 DisableStartThread 并且是 Java 线程 thread->is_Java_thread(),那么设置线程状态为 RUNNABLE。
  • os::start_thread(thread),调用线程启动方法。不同的 OS 会有不同的启动代码逻辑

4.2 os::start_thread(thread)

void os::start_thread(Thread* thread) {

  // guard suspend/resume

  MutexLockerEx ml(thread->SR_lock(), Mutex::_no_safepoint_check_flag);

  OSThread* osthread = thread->osthread();

  osthread->set_state(RUNNABLE);

  pd_start_thread(thread);

}
  • osthread->set_state(RUNNABLE),设置线程状态 RUNNABLE
  • pd_start_thread(thread),启动线程,这个就由各个 OS 实现类,实现各自系统的启动方法了。比如,windows系统和Linux系统的代码是完全不同的。

4.3 pd_start_thread(thread)

void os::pd_start_thread(Thread* thread) {

  OSThread * osthread = thread->osthread();

  assert(osthread->get_state() != INITIALIZED, "just checking");

  Monitor* sync_with_child = osthread->startThread_lock();

  MutexLockerEx ml(sync_with_child, Mutex::_no_safepoint_check_flag);

  sync_with_child->notify();

}
  • 这部分代码 notify() 最关键,它可以唤醒线程。
  • 线程唤醒后,3.4 中的 thread->run(); 就可以继续执行了。

5. JVM 线程回调

5.1 thread->run()[JavaThread::run()]

// The first routine called by a new Java thread

void JavaThread::run() {

  // ... 初始化线程操作

 

  thread_main_inner();

}
  • os_linux.cpp 类中的 java_start 里的 thread->run(),最终调用的就是 thread.cpp 的 JavaThread::run() 方法。
  • 这部分还需要继续往下看,thread_main_inner(); 方法。

5.2 thread_main_inner

void JavaThread::thread_main_inner() {



  if (!this->has_pending_exception() &&

      !java_lang_Thread::is_stillborn(this->threadObj())) {

    {

      ResourceMark rm(this);

      this->set_native_thread_name(this->get_thread_name());

    }

    HandleMark hm(this);

    this->entry_point()(this, this);

  }



  DTRACE_THREAD_PROBE(stop, this);



  this->exit(false);

  delete this;

}
  • 这里有你熟悉的设置的线程名称,this->set_native_thread_name(this->get_thread_name())。
  • this->entry_point(),实际调用的就是 3.1 中的 thread_entry 方法。
  • thread_entry,方法最终会调用到 JavaCalls::call_virtual 里的vmSymbols::run_method_name()。也就是 run() 方法,至此线程启动完成。终于串回来了!

三、总结

  • 线程的启动过程涉及到了 JVM 的参与,所以如果没有认真了解过,确实很难从一个本地方法了解的如此透彻。
  • 整个源码分析可以结合着代码调用UML时序图进行学习,基本核心过程包括:Java 创建线程和启动、调用本地方法 start0()、JVM 中 JVM_StartThread 的创建和启动、设置线程状态等待被唤醒、根据不同的OS启动线程并唤醒、最后回调 run() 方法启动 Java 线程。

 

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