Thread.start() ,它是怎么让线程启动的呢?

小傅哥


作者:小傅哥
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沉淀、分享、成长,让自己和他人都能有所收获!😄

一、前言

有句话:正因为你优秀,所以难以卓越!

刚开始听这句话还在上学,既不卓越、也不优秀,甚至可能还有点笨!但突然从某次爬到班级的前几名后,开始喜欢上了这种感觉,原来前面的风景是如此灿烂😜!

优秀和卓越差的不是一个等级,当你感觉自己优秀后,还能保持空瓶的心态开始,才能逐步的像卓越迈进,并漫漫长!

是不小时候更容易学会更多的知识,但越大越笨了!人可能很容易被自己的年纪大了,当成长者。却很少能保持一个低姿态谦卑的心态,不断的学习。所以最后,放不下自己,也拾不起能力。

喜欢一句话,蓝是天的颜色、红是火的象征,我不学大海抄袭天的蓝、也不学晚霞模拟火的红。我就是我,生命是我的、命运是我的健身也是你的、学习也是你的,只要你有一个好心态,自然会走到前面卓越那里!

二、面试题

谢飞机,小记! 码德,年轻人写代码好猖狂,不遵守规范还喷我,你要耗子尾汁!谢飞机骂骂咧咧的下班后,找面试官聊心得。

谢飞机:我感觉天天就像活在粪堆,代码都是乱糟糟,我有心无力!

面试官:怎么,想跳槽了?

谢飞机:想去写代码有规范的公司,想提升!

面试官:嗯!确实,有些大公司的代码质量要好一些。但是你也要自身能力强的。

谢飞机:是的,我一直在努力学习!准备跑路!

面试官:那我顺便考你个题,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!

三、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。

图 19-1 线程启动分析

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。

四、线程启动过程

1. Thread start UML 图

图 19-2 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.chttps://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/java.base/share/native/libjava/Thread.c
  2. jvm.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/prims/jvm.cpp
  3. thread.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp
  4. os.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/os.hpp
  5. os_linux.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/linux/vm/os_linux.cpp
  6. os_windows.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/windows/vm/os_windows.cpp
  7. vmSymbols.hpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/classfile/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:start0isAliveyieldsleepinterrupt0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},
};

3. JVM 创建线程

3.1 JVM_StartThread

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/prims/jvm.cpp

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:

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/classfile/vmSymbols.hpp

#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。

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp

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

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

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/linux/vm/os_linux.cpp

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

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp

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)

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/os.hpp

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)

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/linux/vm/os_linux.cpp

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()]

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp

// 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

源码https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp

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!

五、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
  • 有时候可能只是一步很简单的方法,也会有它的深入之处,当真的懂了以后,就不用死记硬背。如果需要获得以上高清大图,可以添加小傅哥微信(fustack),备注:Thread大图

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