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面试官问如何启动Java 线程_java

longge3个月前 (03-01)网络技术41
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. JVM 创建线程
      • 3.1 JVM_StartThread
      • 3.2 JavaThread
      • 3.3 os::create_thread
      • 3.4 java_start
    • 4. JVM 启动线程
      • 4.1 Thread::start
      • 4.2 os::start_thread(thread)
      • 4.3 pd_start_thread(thread)
    • 5. JVM 线程回调
      • 5.1 thread->run()[JavaThread::run()]
      • 5.2 thread_main_inner
  • 三、总结

    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

    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 {
        /* 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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