怎么啟動Java?線程

這篇文章給大家分享的是有關怎么啟動Java 線程的內容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

一、線程啟動分析

new Thread(() -> {
    // todo
}).start();

咳咳，Java 的線程創建和啟動非常簡單，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，以方便我們后續逐步分析。

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 的實現中會有不同操作系統對線程的統一處理，比如：Win、Linux、Unix。

• 線程的啟動會涉及到線程的生命周期狀態（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行內容，從而了解線程啟動過程。

二、線程啟動過程

1. Thread start UML 圖

這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
jvm.cpp
thread.cpp
os.cpp
os_linux.cpp
os_windows.cpp
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},
};

從定義中可以看到，start0 方法會執行 &JVM_StartThread 方法，最終由 JVM 層面啟動線程。

3. JVM 創建線程

3.1 JVM_StartThread

JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
  JVMWrapper("JVM_StartThread");
  JavaThread *native_thread = NULL;
 
  // 創建線程
  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 JavaCalls::call_virtual。這個回調函數會由 JVM 調用。

vmSymbols::run_method_name()，就是那個被回調的方法，源碼如下：

#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。接下來我們繼續按照代碼執行鏈路，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，我們繼續看 JavaThread 的源碼執行內容。

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，就是我們上面的 thread_entry 方法。

• size_t stack_sz，表示進程中已有的線程個數。

• 這兩個參數，都會傳遞給 os::create_thread 方法，用于創建線程使用。
  

3.3 os::create_thread

源碼：

• os_linux.cpp：

• os_windows.cpp：
  

眾所周知，JVM 是個啥！，所以它的 OS 服務實現，Liunx 還有 Windows 等，都會實現線程的創建邏輯。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，但此時并沒有初始化。
pthread_create，是類Unix操作系統（Unix、Linux、Mac OS X等）的創建線程的函數。
java_start，重點關注類，是實際創建線程的方法。

3.4 java_start

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：INITIALIZED 初始化完成
  osthread->set_state(INITIALIZED);
 
  // 喚醒所有線程
  sync->notify_all();

 // 循環，初始化狀態，則一致等待 wait
 while (osthread->get_state() == INITIALIZED) {
    sync->wait(Mutex::_no_safepoint_check_flag);
 }

  // 等待喚醒后，執行 run 方法
  thread->run();

  return 0;
}

JVM 設置線程狀態，INITIALIZED 初始化完成。
sync->notify_all()，喚醒所有線程。
osthread->get_state() == INITIALIZED，while 循環等待
thread->run()，是等待線程喚醒后，也就是狀態變更后，才能執行到。這在我們的線程執行UML圖中，也有所體現

4. JVM 啟動線程

JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
  JVMWrapper("JVM_StartThread");
  JavaThread *native_thread = NULL;
 
  // 創建線程
  native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
  // 啟動線程
  Thread::start(native_thread);

 
JVM_END

JVM_StartThread 中有兩步，創建（new JavaThread）、啟動（Thread::start）。創建的過程聊完了，接下來我們聊啟動。

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 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)

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 RUNNABLE
pd_start_thread(thread) ，啟動線程，這個就由各個 OS 實現類，實現各自系統的啟動方法了。比如，windows系統和Linux系統的代碼是完全不同的。

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();
}

• 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(); 就可以繼續執行了。
  

5. JVM 線程回調

5.1 thread->run()[JavaThread::run()]

// 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;
}

• 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！
  

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