從 Hotspot 虛擬機(jī)角度來分析 Java 線程啟動(dòng)
基本概念
Java 線程其實(shí)是映射到操作系統(tǒng)的內(nèi)核線程上的，所以 Java 線程基本上也就是操作系統(tǒng)在進(jìn)行管理。在 Linux系統(tǒng)中，線程和進(jìn)程用的是同一個(gè)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行描述的，只不過進(jìn)程擁有自己獨(dú)立的地址空間，而同一個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線程之間是共享資源的。
簡單說明：本文基于 openjdk 1.8 進(jìn)行
線程狀態(tài)
每種線程狀態(tài)的切換條件, 以及調(diào)用方法如下圖所示 ：
線程具有以下幾種狀態(tài) Java 的線程狀態(tài)在 Thread.State 枚舉中定義代碼如下
- public enum State {
- //新創(chuàng)建，未啟動(dòng)
- NEW,
- //在jvm 中運(yùn)行，也可能正在等待操作系統(tǒng)的其他資源
- RUNNABLE,
- //阻塞，并且正在等待監(jiān)視器鎖
- BLOCKED,
- //處于等待狀態(tài)的線程，正在等待另一個(gè)線程執(zhí)行特定的操作
- WAITING,
- //限期等待， 可以設(shè)置最大等待時(shí)間
- TIMED_WAITING,
- //結(jié)束
- TERMINATED;
- }
線程創(chuàng)建
繼承 Thread 類, 代碼如下:
- class PrimeThread extends Thread {
- long minPrime;
- PrimeThread(long minPrime) {
- this.minPrime = minPrime;
- }
- public void run() {
- // compute primes larger than minPrime
- . . .
- }
- }
- // 啟動(dòng)線程
- PrimeThread p = new PrimeThread(143);
- p.start();
實(shí)現(xiàn) Runable 接口, 代碼如下 (通常推薦使用這種方式):
- class PrimeRun implements Runnable {
- long minPrime;
- PrimeRun(long minPrime) {
- this.minPrime = minPrime;
- }
- public void run() {
- // compute primes larger than minPrime
- . . .
- }
- }
- // 啟動(dòng)線程
- PrimeRun p = new PrimeRun(143);
- new Thread(p).start();
hotspot 源碼
JNI 機(jī)制
JNI 是 Java Native Interface 的縮寫，它提供了若干的 API 實(shí)現(xiàn)了Java和其他語言的通信(主要是C和C++)。
JNI的適用場(chǎng)景 當(dāng)我們有一些舊的庫，已經(jīng)使用C語言編寫好了，如果要移植到Java上來，非常浪費(fèi)時(shí)間，而JNI可以支持Java程序與C語言編寫的庫進(jìn)行交互，這樣就不必要進(jìn)行移植了。或者是與硬件、操作系統(tǒng)進(jìn)行交互、提高程序的性能等，都可以使用JNI。需要注意的一點(diǎn)是需要保證本地代碼能工作在任何Java虛擬機(jī)環(huán)境。
- JNI的副作用 一旦使用JNI，Java程序?qū)G失了Java平臺(tái)的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
- 程序不再跨平臺(tái)，要想跨平臺(tái)，必須在不同的系統(tǒng)環(huán)境下程序編譯配置本地語言部分。
程序不再是絕對(duì)安全的，本地代碼的使用不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)程序崩潰。一個(gè)通用規(guī)則是，調(diào)用本地方法應(yīng)該集中在少數(shù)的幾個(gè)類當(dāng)中，這樣就降低了Java和其他語言之間的耦合。
舉個(gè)例子 這塊操作比較多，可以參考如下的資料
- https://www.runoob.com/w3cnote/jni-getting-started-tutorials.html
啟動(dòng)流程
啟動(dòng)流程如下
線程啟動(dòng)
Java 創(chuàng)建線程 Thread 實(shí)例之后，是通過 start 方法進(jìn)行啟動(dòng)該線程，通知執(zhí)行。在 start 方法的內(nèi)部，調(diào)用的是 start0() 這個(gè)本地方法。我們可以從該方法為入口分析 JVM 對(duì)于 Thread 的底層實(shí)現(xiàn)。
- public synchronized void start() {
- // 判斷線程狀態(tài)
- if (threadStatus != 0)
- throw new IllegalThreadStateException();
- // 添加到組
- group.add(this);
- boolean started = false;
- try {
- // 啟動(dòng)線程
- start0();
- started = true;
- } finally {
- try {
- if (!started) {
- group.threadStartFailed(this);
- }
- } catch (Throwable ignore) {
- /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
- it will be passed up the call stack */
- }
- }
- }
- private native void start0();
start0() 是一個(gè)本地方法，咱們按照 JNI 規(guī)范可以到 hotspot 虛擬源碼中查找 java_lang_Thread_start0 這個(gè)函數(shù)。定義如下：
- /*
- * Class: java_lang_Thread
- * Method: start0
- * Signature: ()V
- */
- JNIEXPORT void JNICALL Java_java_lang_Thread_start0
- (JNIEnv *, jobject);
通過注釋 Method: start0 我可以猜到，在 jvm 的內(nèi)部也可能會(huì)存在 start0 這個(gè)方法，于是我又搜索了一下這個(gè)方法，找到了 Thread.c 文件。可以看到里面有一個(gè) Java_java_lang_Thread_registerNatives() 方法，這就是用來初始化在 Thread.java 與其他方法的綁定，并且在 Threa.java 的第一個(gè) static 塊中就調(diào)用了這個(gè)方法，保證這個(gè)方法在類加載中是第一個(gè)被調(diào)用的方法。這個(gè) native 方法的作用是為其他 native 方法注冊(cè)到JVM中。代碼如下所示：
- 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},
- {"countStackFrames", "()I", (void *)&JVM_CountStackFrames},
- {"interrupt0", "()V", (void *)&JVM_Interrupt},
- {"isInterrupted", "(Z)Z", (void *)&JVM_IsInterrupted},
- {"holdsLock", "(" OBJ ")Z", (void *)&JVM_HoldsLock},
- {"getThreads", "()[" THD, (void *)&JVM_GetAllThreads},
- {"dumpThreads", "([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads},
- {"setNativeName", "(" STR ")V", (void *)&JVM_SetNativeThreadName},
- };
- #undef THD
- #undef OBJ
- #undef STE
- #undef STR
- JNIEXPORT void JNICALL
- Java_java_lang_Thread_registerNatives(JNIEnv *env, jclass cls)
- {
- (*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, ARRAY_LENGTH(methods));
- }
再回到我們的 start0 方法，此時(shí)我們就去查找 JVM_StartThread 方法是在他是在/hotspot/src/share/vm/prims/jvm.cpp 這個(gè)文件里面：
- JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
- JVMWrapper("JVM_StartThread");
- JavaThread *native_thread = NULL;
- // We cannot hold the Threads_lock when we throw an exception,
- // due to rank ordering issues. Example: we might need to grab the
- // Heap_lock while we construct the exception.
- bool throw_illegal_thread_state = false;
- // We must release the Threads_lock before we can post a jvmti event
- // in Thread::start.
- {
- // Ensure that the C++ Thread and OSThread structures aren't freed before
- // we operate.
- MutexLocker mu(Threads_lock);
- // 1. 判斷 Java 線程是否啟動(dòng)，如果已經(jīng)啟動(dòng)，拋出異常
- if (java_lang_Thread::thread(JNIHandles::resolve_non_null(jthread)) != NULL) {
- throw_illegal_thread_state = true;
- } else {
- // 2. 如果沒有創(chuàng)建，則會(huì)創(chuàng)建線程
- jlong size =
- java_lang_Thread::stackSize(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));
- size_t sz = size > 0 ? (size_t) size : 0;
- // 虛擬機(jī)創(chuàng)建 JavaThread， 該類內(nèi)部會(huì)創(chuàng)建操作系統(tǒng)線程，然后關(guān)聯(lián) Java 線程
- native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
- if (native_thread->osthread() != NULL) {
- // Note: the current thread is not being used within "prepare".
- native_thread->prepare(jthread);
- }
- }
- }
- if (throw_illegal_thread_state) {
- THROW(vmSymbols::java_lang_IllegalThreadStateException());
- }
- assert(native_thread != NULL, "Starting null thread?");
- if (native_thread->osthread() == NULL) {
- // No one should hold a reference to the 'native_thread'.
- delete native_thread;
- if (JvmtiExport::should_post_resource_exhausted()) {
- JvmtiExport::post_resource_exhausted(
- JVMTI_RESOURCE_EXHAUSTED_OOM_ERROR | JVMTI_RESOURCE_EXHAUSTED_THREADS,
- "unable to create new native thread");
- }
- THROW_MSG(vmSymbols::java_lang_OutOfMemoryError(),
- "unable to create new native thread");
- }
- // 設(shè)置線程狀態(tài)為 Runnable
- Thread::start(native_thread);
- JVM_END
JavaThread 類的構(gòu)造方法我們一起來看看，他是通過 os::create_thread 函數(shù)來進(jìn)行創(chuàng)建 Java 對(duì)應(yīng)的內(nèi)核線程
- JavaThread::JavaThread(ThreadFunction entry_point, size_t stack_sz) :
- Thread()
- {
- if (TraceThreadEvents) {
- tty->print_cr("creating thread %p", this);
- }
- initialize();
- _jni_attach_state = _not_attaching_via_jni;
- set_entry_point(entry_point);
- os::ThreadType thr_type = os::java_thread;
- thr_type = entry_point == &compiler_thread_entry ? os::compiler_thread :
- os::java_thread;
- // 創(chuàng)建Java線程對(duì)應(yīng)的內(nèi)核線
- os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);
- _safepoint_visible = false;
- }
os:create_thread 其實(shí)主要就是一個(gè)用來支持跨平臺(tái)創(chuàng)建線程的， 以 Linux 為例 (hotspot/src/os/linux/vm/os_linux.cpp)：
- bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t stack_size) {
- // ...
- // 創(chuàng)建 OSThread 內(nèi)核線程對(duì)象
- OSThread* osthread = new OSThread(NULL, NULL);
- // 綁定
- thread->set_osthread(osthread);
- pthread_t tid;
- // pthread_create 為 linux api 用來創(chuàng)建線程。
- int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) java_start, thread);
- // ...
- return true;
- }
我們可以通過 ubantu 的控制臺(tái)來查詢接口信息
- man pthread_create 來進(jìn)行查詢文檔
通過文檔我們可以了解，當(dāng) pthread_create 函數(shù)執(zhí)行創(chuàng)建完線程之后會(huì)調(diào)用第三個(gè)參數(shù)傳遞過去的回調(diào)函數(shù)
- int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* ()(void)) java_start, thread);
在這里就是 java_start 函數(shù)
- // Thread start routine for all newly created threads
- static void *java_start(Thread *thread) {
- // 主要是調(diào)用 Thread 的 run 方法
- thread->run();
- return 0;
- }
在 thread.cpp 中 JavaThread::run 方法最終調(diào)用了 thread_main_inner 方法：
- // The first routine called by a new Java thread
- void JavaThread::run() {
- // We call another function to do the rest so we are sure that the stack addresses used
- // from there will be lower than the stack base just computed
- thread_main_inner();
- // Note, thread is no longer valid at this point!
- }
在 thread_main_inner 方法內(nèi)，在調(diào)用咱們之前創(chuàng)建 JavaThread 對(duì)象的時(shí)候傳遞進(jìn)來的 entry_point 方法：
- 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);
- // 調(diào)用 entry_point 方法
- this->entry_point()(this, this);
- }
- DTRACE_THREAD_PROBE(stop, this);
- this->exit(false);
- delete this;
- }
通過上面的代碼我們可以看到先創(chuàng)建了一個(gè) JavaThread 對(duì)象， 然后傳入了 thread_entry 方法
- // JVM_StartThread 創(chuàng)建操作系統(tǒng)線程，執(zhí)行 thread_entry 函數(shù)
- static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) {
- HandleMark hm(THREAD);
- Handle obj(THREAD, thread->threadObj());
- JavaValue result(T_VOID);
- // Thrad.start() 調(diào)用 java.lang.Thread 類的 run 方法
- JavaCalls::call_virtual(&result,
- obj,
- KlassHandle(THREAD, SystemDictionary::Thread_klass()),
- vmSymbols::run_method_name(),
- vmSymbols::void_method_signature(),
- THREAD);
- }
我們?cè)賮砜纯次覀?Java 中 Thread 類的 run 方法
- public void run() {
- if (target != null) {
- // Thread.run() 又調(diào)用 Runnable.run()
- target.run();
- }
- }
參考資料
https://www.jb51.net/article/216231.htm
https://blog.csdn.net/u013928208/article/details/108051796
https://www.cnblogs.com/whhjava/p/9916626.html
https://www.runoob.com/w3cnote/jni-getting-started-tutorials.html
https://developer.51cto.com/art/202011/632936.htm
https://blog.csdn.net/weixin_34384681/article/details/90660510
https://blog.csdn.net/weixin_30267697/article/details/95994035
https://zhuanlan.zhihu.com/p/33830504
