Thread.start() ，它是怎么讓線程啟動的呢？
本文轉載自微信公眾號「 bugstack蟲洞棧」，作者小傅哥 。轉載本文請聯(lián)系 bugstack蟲洞棧公眾號。
目錄
一、前言
二、面試題
三、線程啟動分析
四、線程啟動過程
1. Thread start UML 圖
2. Java 層面 Thread 啟動
3. JVM 創(chuàng)建線程
4. JVM 啟動線程
5. JVM 線程回調
五、總結
六、系列推薦
一、前言
有句話：正因為你優(yōu)秀，所以難以卓越!剛開始聽這句話還在上學，既不卓越、也不優(yōu)秀，甚至可能還有點笨!但突然從某次爬到班級的前幾名后，開始喜歡上了這種感覺，原來前面的風景是如此燦爛😜!
優(yōu)秀和卓越差的不是一個等級，當你感覺自己優(yōu)秀后，還能保持空瓶的心態(tài)開始，才能逐步的像卓越邁進，并漫漫長!
是不小時候更容易學會更多的知識，但越大越笨了!人可能很容易被自己的年紀大了，當成長者。卻很少能保持一個低姿態(tài)謙卑的心態(tài)，不斷的學習。所以最后，放不下自己，也拾不起能力。
喜歡一句話，藍是天的顏色、紅是火的象征，我不學大海抄襲天的藍、也不學晚霞模擬火的紅。我就是我，生命是我的、命運是我的?！附∩硪彩悄愕?、學習也是你的」，只要你有一個好心態(tài)，自然會走到前面卓越那里!
二、面試題
謝飛機，小記! 碼德，年輕人寫代碼好猖狂，不遵守規(guī)范還噴我，你要耗子尾汁!謝飛機罵罵咧咧的下班后，找面試官聊心得。
「謝飛機」：我感覺天天就像活在糞堆，代碼都是亂糟糟，我有心無力!
「面試官」：怎么，想跳槽了?
「謝飛機」：想去寫代碼有規(guī)范的公司，想提升!
「面試官」：嗯!確實，有些大公司的代碼質量要好一些。但是你也要自身能力強的。
「謝飛機」：是的，我一直在努力學習!準備跑路!
「面試官」：那我順便考你個題，看看你進大廠的幾率大不。嗯... Java 線程如何啟動的?「謝飛機」：如何啟動的?start 啟動的!
「面試官」：還有嗎?
「謝飛機」：嗯...，沒了!
「面試官」：嗯，可能會與不會這一個題并不會讓你代碼有多牛、有多好，但是你的技術棧深度和廣度，決定你的編程職業(yè)生涯是否有一條康莊大道。還是要多努力!
三、線程啟動分析
- new Thread(() -> {
- // todo
- }).start();
「咳咳」，Java 的線程創(chuàng)建和啟動非常簡單，但如果問一個線程是怎么啟動起來的往往并不清楚，甚至不知道為什么啟動時是調用start()，而不是調用run()方法呢?
「那么」，為了讓大家有一個更直觀的認知，我們先站在上帝視角。把這段 Java 的線程代碼，到 JDK 方法使用，以及 JVM 的相應處理過程，展示給大家，以方便我們后續(xù)逐步分析。
圖 19-1 線程啟動分析
「以上」，就是一個線程啟動的整體過程分析，會涉及到如下知識點：
- 線程的啟動會涉及到本地方法(JNI)的調用，也就是那部分 C++ 編寫的代碼。
- JVM 的實現(xiàn)中會有不同操作系統(tǒng)對線程的統(tǒng)一處理，比如：Win、Linux、Unix。
- 線程的啟動會涉及到線程的生命周期狀態(tài)(RUNNABLE)，以及喚醒操作，所以最終會有回調操作。也就是調用我們的 run() 方法
接下來，我們就開始逐步分析每一步源碼的執(zhí)行內容，從而了解線程啟動過程。
四、線程啟動過程
1. Thread start UML 圖
圖 19-2 Thread start UML 圖
如圖 19-2 是線程的啟動過程時序圖，整體的鏈路較長，會涉及到 JVM 的操作。核心源碼如下：
- Thread.c：https://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/java.base/share/native/libjava/Thread.c
- jvm.cpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/prims/jvm.cpp
- thread.cpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp
- os.cpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/os.hpp
- os_linux.cpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/linux/vm/os_linux.cpp
- os_windows.cpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/windows/vm/os_windows.cpp
- vmSymbols.hpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/classfile/vmSymbols.hpp
2. Java 層面 Thread 啟動
2.1 start() 方法
- new Thread(() -> {
- // todo
- }).start();
- // JDK 源碼
- 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) {}
- }
- }
- 線程啟動方法 start()，在它的方法英文注釋中已經把核心內容描述出來。Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine calls the run method of this thread. 這段話的意思是：由 JVM 調用此線程的 run 方法，使線程開始執(zhí)行。其實這就是一個 JVM 的回調過程，下文源碼分析中會講到
- 另外 start() 是一個 synchronized 方法，但為了避免多次調用，在方法中會由線程狀態(tài)判斷。threadStatus != 0。
- group.add(this)，是把當前線程加入到線程組，ThreadGroup。
- start0()，是一個本地方法，通過 JNI 方式調用執(zhí)行。這一步的操作才是啟動線程的核心步驟。
2.2 start0() 本地方法
- // 本地方法 start0
- private native void start0();
- // 注冊本地方法
- public class Thread implements Runnable {
- /* Make sure registerNatives is the first thing <clinit> does. */
- private static native void registerNatives();
- static {
- registerNatives();
- }
- // ...
- }
- start0()，是一個本地方法，用于啟動線程。
- registerNatives()，這個方法是用于注冊線程執(zhí)行過程中需要的一些本地方法，比如：start0、isAlive、yield、sleep、interrupt0等。
「registerNatives」，本地方法定義在 Thread.c 中，以下是定義的核心源碼：
- 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},
- };
- 「源碼」：https://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/java.base/share/native/libjava/Thread.c
- 從定義中可以看到，start0 方法會執(zhí)行 &JVM_StartThread 方法，最終由 JVM 層面啟動線程。
3. JVM 創(chuàng)建線程
3.1 JVM_StartThread
「源碼」：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;
- // 創(chuàng)建線程
- native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
- // 啟動線程
- Thread::start(native_thread);
- JVM_END
這部分代碼比較多，但核心內容主要是創(chuàng)建線程和啟動線程，另外 &thread_entry也是一個方法，如下：
「thread_entry，線程入口」
- 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);
- }
「重點」，在創(chuàng)建線程引入這個線程入口的方法時，thread_entry 中包括了 Java 的回調函數(shù) JavaCalls::call_virtual。這個回調函數(shù)會由 JVM 調用。
「vmSymbols::run_method_name()」，就是那個被回調的方法，源碼如下：
「源碼」：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")
這個 run 就是我們的 Java 程序中會被調用的 run 方法。接下來我們繼續(xù)按照代碼執(zhí)行鏈路，尋找到這個被回調的方法在什么時候調用的。
3.2 JavaThread
- native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
接下來，我們繼續(xù)看 JavaThread 的源碼執(zhí)行內容。
「源碼」：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，就是我們上面的 thread_entry 方法。
- size_t stack_sz，表示進程中已有的線程個數(shù)。
- 「這兩個參數(shù)」，都會傳遞給 os::create_thread 方法，用于創(chuàng)建線程使用。
3.3 os::create_thread
「源碼」：
os_linux.cpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/linux/vm/os_linux.cpp
os_windows.cpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/windows/vm/os_windows.cpp
眾所周知，JVM 是個啥!，所以它的 OS 服務實現(xiàn)，Liunx 還有 Windows 等，都會實現(xiàn)線程的創(chuàng)建邏輯。這有點像適配器模式
「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)，初始化已分配的狀態(tài)，但此時并沒有初始化。
- pthread_create，是類Unix操作系統(tǒng)(Unix、Linux、Mac OS X等)的創(chuàng)建線程的函數(shù)。
- java_start，重點關注類，是實際創(chuàng)建線程的方法。
3.4 java_start
「源碼」：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/linux/vm/os_linux.cpp
- static void *java_start(Thread *thread) {
- // 線程ID
- int pid = os::current_process_id();
- // 設置線程
- ThreadLocalStorage::set_thread(thread);
- // 設置線程狀態(tài)：INITIALIZED 初始化完成
- osthread->set_state(INITIALIZED);
- // 喚醒所有線程
- sync->notify_all();
- // 循環(huán)，初始化狀態(tài)，則一致等待 wait
- while (osthread->get_state() == INITIALIZED) {
- sync->wait(Mutex::_no_safepoint_check_flag);
- }
- // 等待喚醒后，執(zhí)行 run 方法
- thread->run();
- return 0;
- }
- JVM 設置線程狀態(tài)，INITIALIZED 初始化完成。
- sync->notify_all()，喚醒所有線程。
- osthread->get_state() == INITIALIZED，while 循環(huán)等待
- thread->run()，是等待線程喚醒后，也就是狀態(tài)變更后，才能執(zhí)行到。這在我們的線程執(zhí)行UML圖中，也有所體現(xiàn)
4. JVM 啟動線程
- JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
- JVMWrapper("JVM_StartThread");
- JavaThread *native_thread = NULL;
- // 創(chuàng)建線程
- native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
- // 啟動線程
- Thread::start(native_thread);
- JVM_END
JVM_StartThread 中有兩步，創(chuàng)建(new JavaThread)、啟動(Thread::start)。創(chuàng)建的過程聊完了，接下來我們聊啟動。
4.1 Thread::start
「源碼」：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 會有不同的啟動代碼邏輯
- os::start_thread(thread);
- }
- }
- 如果沒有禁用線程 DisableStartThread 并且是 Java 線程 thread->is_Java_thread()，那么設置線程狀態(tài)為 RUNNABLE。
- os::start_thread(thread)，調用線程啟動方法。不同的 OS 會有不同的啟動代碼邏輯
4.2 os::start_thread(thread)
「源碼」：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)，設置線程狀態(tài) RUNNABLEpd_start_thread(thread)，啟動線程，這個就由各個 OS 實現(xiàn)類，實現(xiàn)各自系統(tǒng)的啟動方法了。比如，windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)的代碼是完全不同的。
4.3 pd_start_thread(thread)
「源碼」：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();
- }
這部分代碼 notify() 最關鍵，它可以喚醒線程。
線程喚醒后，3.4 中的 thread->run(); 就可以繼續(xù)執(zhí)行了。
5. JVM 線程回調
5.1 thread->run()[JavaThread::run()]
「源碼」：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() {
- // ... 初始化線程操作
- thread_main_inner();
- }
os_linux.cpp 類中的 java_start 里的 thread->run()，最終調用的就是 thread.cpp 的 JavaThread::run() 方法。
這部分還需要繼續(xù)往下看，thread_main_inner(); 方法。
5.2 thread_main_inner
「源碼」：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;
- }
- 這里有你熟悉的設置的線程名稱，this->set_native_thread_name(this->get_thread_name())。
- this->entry_point()，實際調用的就是 3.1 中的 thread_entry 方法。
- thread_entry，方法最終會調用到 JavaCalls::call_virtual 里的vmSymbols::run_method_name()。也就是 run() 方法，至此線程啟動完成。終于串回來了!
五、總結
- 線程的啟動過程涉及到了 JVM 的參與，所以如果沒有認真了解過，確實很難從一個本地方法了解的如此透徹。
- 整個源碼分析可以結合著代碼調用UML時序圖進行學習，基本核心過程包括：Java 創(chuàng)建線程和啟動、調用本地方法 start0()、JVM 中 JVM_StartThread 的創(chuàng)建和啟動、設置線程狀態(tài)等待被喚醒、根據(jù)不同的OS啟動線程并喚醒、最后回調 run() 方法啟動 Java 線程。
- 有時候可能只是一步很簡單的方法，也會有它的深入之處，當真的懂了以后，就不用死記硬背。如果需要獲得以上高清大圖，可以添加小傅哥微信(fustack)，備注：Thread大圖
