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怎么启动Java 线程

发布时间:2021-12-13 11:03:54 来源:亿速云 阅读:140 作者:小新 栏目:开发技术

这篇文章给大家分享的是有关怎么启动Java 线程的内容。小编觉得挺实用的,因此分享给大家做个参考,一起跟随小编过来看看吧。

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。

怎么启动Java 线程

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

怎么启动Java 线程

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!

感谢各位的阅读!关于“怎么启动Java 线程”这篇文章就分享到这里了,希望以上内容可以对大家有一定的帮助,让大家可以学到更多知识,如果觉得文章不错,可以把它分享出去让更多的人看到吧!

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