zhuxiaoqiang · 210浏览 · 发布于2021-09-10
Java 线程其实是映射到操作系统的内核线程上的，所以 Java 线程基本上也就是操作系统在进行管理。在 Linux系统中，线程和进程用的是同一个结构体进行描述的，只不过进程拥有自己独立的地址空间，而同一个进程的多个线程之间是共享资源的。
基本概念
Java 线程其实是映射到操作系统的内核线程上的，所以 Java 线程基本上也就是操作系统在进行管理。在 Linux系统中，线程和进程用的是同一个结构体进行描述的，只不过进程拥有自己独立的地址空间，而同一个进程的多个线程之间是共享资源的。
简单说明：本文基于 openjdk 1.8 进行
线程状态
每种线程状态的切换条件, 以及调用方法如下图所示 ：
线程具有以下几种状态 Java 的线程状态在 Thread.State 枚举中定义代码如下
public enum State {
//新创建，未启动
NEW,
//在jvm 中运行，也可能正在等待操作系统的其他资源
RUNNABLE,
//阻塞，并且正在等待监视器锁
BLOCKED,
//处于等待状态的线程，正在等待另一个线程执行特定的操作
WAITING,
//限期等待， 可以设置最大等待时间
TIMED_WAITING,
//结束
TERMINATED;
}线程创建
继承 Thread 类, 代码如下:
class PrimeThread extends Thread {
long minPrime;
PrimeThread(long minPrime) {
this.minPrime = minPrime;
}
public void run() {
// compute primes larger than minPrime
. . .
}
}
// 启动线程
PrimeThread p = new PrimeThread(143);
p.start();实现 Runable 接口, 代码如下 (通常推荐使用这种方式):
class PrimeRun implements Runnable {
long minPrime;
PrimeRun(long minPrime) {
this.minPrime = minPrime;
}
public void run() {
// compute primes larger than minPrime
. . .
}
}
// 启动线程
PrimeRun p = new PrimeRun(143);
new Thread(p).start();hotspot 源码
JNI 机制
JNI 是 Java Native Interface 的缩写，它提供了若干的 API 实现了Java和其他语言的通信(主要是C和C++)。
JNI的适用场景 当我们有一些旧的库，已经使用C语言编写好了，如果要移植到Java上来，非常浪费时间，而JNI可以支持Java程序与C语言编写的库进行交互，这样就不必要进行移植了。或者是与硬件、操作系统进行交互、提高程序的性能等，都可以使用JNI。需要注意的一点是需要保证本地代码能工作在任何Java虚拟机环境。
JNI的副作用 一旦使用JNI，Java程序将丢失了Java平台的两个优点：
程序不再跨平台，要想跨平台，必须在不同的系统环境下程序编译配置本地语言部分。
程序不再是绝对安全的，本地代码的使用不当可能会导致整个程序崩溃。一个通用规则是，调用本地方法应该集中在少数的几个类当中，这样就降低了Java和其他语言之间的耦合。
举个例子 这块操作比较多，可以参考如下的资料
https://www.runoob.com/w3cnote/jni-getting-started-tutorials.html
启动流程
启动流程如下
线程启动
Java 创建线程 Thread 实例之后，是通过 start 方法进行启动该线程，通知执行。在 start 方法的内部，调用的是 start0() 这个本地方法。我们可以从该方法为入口分析 JVM 对于 Thread 的底层实现。
public synchronized void start() {
// 判断线程状态
if (threadStatus != 0)
throw new IllegalThreadStateException();
// 添加到组
group.add(this);
boolean started = false;
try {
// 启动线程
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() 是一个本地方法，咱们按照 JNI 规范可以到 hotspot 虚拟源码中查找 java_lang_Thread_start0 这个函数。定义如下：
/* * Class: java_lang_Thread * Method: start0 * Signature: ()V */ JNIEXPORT void JNICALL Java_java_lang_Thread_start0 (JNIEnv *, jobject);
通过注释 Method: start0 我可以猜到，在 jvm 的内部也可能会存在 start0 这个方法，于是我又搜索了一下这个方法，找到了 Thread.c 文件。可以看到里面有一个 Java_java_lang_Thread_registerNatives() 方法，这就是用来初始化在 Thread.java 与其他方法的绑定，并且在 Threa.java 的第一个 static 块中就调用了这个方法，保证这个方法在类加载中是第一个被调用的方法。这个 native 方法的作用是为其他 native 方法注册到JVM中。代码如下所示：
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));
}再回到我们的 start0 方法，此时我们就去查找 JVM_StartThread 方法是在他是在/hotspot/src/share/vm/prims/jvm.cpp 这个文件里面：
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. 判断 Java 线程是否启动，如果已经启动，抛出异常
if (java_lang_Thread::thread(JNIHandles::resolve_non_null(jthread)) != NULL) {
throw_illegal_thread_state = true;
} else {
// 2. 如果没有创建，则会创建线程
jlong size =
java_lang_Thread::stackSize(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));
size_t sz = size > 0 ? (size_t) size : 0;
// 虚拟机创建 JavaThread， 该类内部会创建操作系统线程，然后关联 Java 线程
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");
}
// 设置线程状态为 Runnable
Thread::start(native_thread);
JVM_ENDJavaThread 类的构造方法我们一起来看看，他是通过 os::create_thread 函数来进行创建 Java 对应的内核线程
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;
// 创建Java线程对应的内核线
os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);
_safepoint_visible = false;
}os:create_thread 其实主要就是一个用来支持跨平台创建线程的， 以 Linux 为例 (hotspot/src/os/linux/vm/os_linux.cpp)：
bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t stack_size) {
// ...
// 创建 OSThread 内核线程对象
OSThread* osthread = new OSThread(NULL, NULL);
// 绑定
thread->set_osthread(osthread);
pthread_t tid;
// pthread_create 为 linux api 用来创建线程。
int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) java_start, thread);
// ...
return true;
}我们可以通过 ubantu 的控制台来查询接口信息
man pthread_create 来进行查询文档
通过文档我们可以了解，当 pthread_create 函数执行创建完线程之后会调用第三个参数传递过去的回调函数
int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* ()(void)) java_start, thread);
在这里就是 java_start 函数
// Thread start routine for all newly created threads
static void *java_start(Thread *thread) {
// 主要是调用 Thread 的 run 方法
thread->run();
return 0;
}在 thread.cpp 中 JavaThread::run 方法最终调用了 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 方法内，在调用咱们之前创建 JavaThread 对象的时候传递进来的 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);
// 调用 entry_point 方法
this->entry_point()(this, this);
}
DTRACE_THREAD_PROBE(stop, this);
this->exit(false);
delete this;
}通过上面的代码我们可以看到先创建了一个 JavaThread 对象， 然后传入了 thread_entry 方法
// JVM_StartThread 创建操作系统线程，执行 thread_entry 函数
static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) {
HandleMark hm(THREAD);
Handle obj(THREAD, thread->threadObj());
JavaValue result(T_VOID);
// Thrad.start() 调用 java.lang.Thread 类的 run 方法
JavaCalls::call_virtual(&result,
obj,
KlassHandle(THREAD, SystemDictionary::Thread_klass()),
vmSymbols::run_method_name(),
vmSymbols::void_method_signature(),
THREAD);
}我们再来看看我们 Java 中 Thread 类的 run 方法
public void run() {
if (target != null) {
// Thread.run() 又调用 Runnable.run()
target.run();
}
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