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面试官问如何启动Java 线程

2024-04-02 19:04:59 601人浏览安东尼

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摘要

目录一、线程启动分析二、线程启动过程1. Thread start UML 图2. Java 层面 Thread 启动2.1 start() 方法2.2 start0() 本地方法3

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

这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：

Thread.c
jvm.cpp
thread.cpp
os.cpp
os_linux.cpp
os_windows.cpp
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 {
    
    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。

到此这篇关于面试官问如何启动Java 线程的文章就介绍到这了,更多相关启动Java 线程内容请搜索编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程网！

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本文标题: 面试官问如何启动Java 线程

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