从 Hotspot 虚拟机角度来分析 Java 线程启动-深入解析java虚拟机hotspot

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基本概念

Java 线程其实是映射到操作系统的内核线程上的，所以 Java 线程基本上也就是操作系统在进行管理。在 Linux系统中，线程和进程用的是同一个结构体进行描述的，只不过进程拥有自己独立的地址空间，而同一个进程的多个线程之间是共享资源的。

简单说明：本文基于 openjdk 1.8 进行

线程状态

每种线程状态的切换条件, 以及调用方法如下图所示：

线程具有以下几种状态 Java 的线程状态在 Thread.State 枚举中定义代码如下

public enum State { 
    //新创建，未启动 
    NEW, 
 
    //在jvm 中运行，也可能正在等待操作系统的其他资源 
    RUNNABLE, 
 
    //阻塞，并且正在等待监视器锁 
    BLOCKED, 
 
    //处于等待状态的线程，正在等待另一个线程执行特定的操作 
    WAITING, 
 
    //限期等待， 可以设置最大等待时间 
    TIMED_WAITING, 
 
    //结束 
    TERMINATED; 
}

线程创建

继承 Thread 类, 代码如下:

class PrimeThread extends Thread { 
    long minPrime; 
    PrimeThread(long minPrime) { 
        this.minPrime = minPrime; 
    } 
 
    public void run() { 
        // compute primes larger than minPrime 
        . . . 
        } 
} 
 
// 启动线程 
PrimeThread p = new PrimeThread(143); 
p.start();

实现 Runable 接口, 代码如下 (通常推荐使用这种方式):

class PrimeRun implements Runnable { 
    long minPrime; 
    PrimeRun(long minPrime) { 
        this.minPrime = minPrime; 
    } 
 
    public void run() { 
        // compute primes larger than minPrime 
        . . . 
        } 
} 
 
// 启动线程 
PrimeRun p = new PrimeRun(143); 
new Thread(p).start();

hotspot 源码

JNI 机制

JNI 是 Java Native Interface 的缩写，它提供了若干的 API 实现了Java和其他语言的通信(主要是C和C++)。

JNI的适用场景当我们有一些旧的库，已经使用C语言编写好了，如果要移植到Java上来，非常浪费时间，而JNI可以支持Java程序与C语言编写的库进行交互，这样就不必要进行移植了。或者是与硬件、操作系统进行交互、提高程序的性能等，都可以使用JNI。需要注意的一点是需要保证本地代码能工作在任何Java虚拟机环境。

JNI的副作用一旦使用JNI，Java程序将丢失了Java平台的两个优点：
程序不再跨平台，要想跨平台，必须在不同的系统环境下程序编译配置本地语言部分。

程序不再是绝对安全的，本地代码的使用不当可能会导致整个程序崩溃。一个通用规则是，调用本地方法应该集中在少数的几个类当中，这样就降低了Java和其他语言之间的耦合。

举个例子这块操作比较多，可以参考如下的资料

https://www.runoob.com/w3cnote/jni-getting-started-tutorials.html

启动流程

启动流程如下

线程启动

Java 创建线程 Thread 实例之后，是通过 start 方法进行启动该线程，通知执行。在 start 方法的内部，调用的是 start0() 这个本地方法。我们可以从该方法为入口分析 JVM 对于 Thread 的底层实现。

public synchronized void start() { 
    // 判断线程状态 
    if (threadStatus != 0) 
        throw new IllegalThreadStateException(); 
 
    // 添加到组 
    group.add(this); 
 
    boolean started = false; 
    try { 
        // 启动线程 
        start0(); 
        started = true; 
    } finally { 
        try { 
            if (!started) { 
                group.threadStartFailed(this); 
            } 
        } catch (Throwable ignore) { 
            /* do nothing. If start0 threw a Throwable then 
              it will be passed up the call stack */ 
        } 
    } 
} 
 
private native void start0();

start0() 是一个本地方法，咱们按照 JNI 规范可以到 hotspot 虚拟源码中查找 java_lang_Thread_start0 这个函数。定义如下：

/* 
 * Class:     java_lang_Thread 
 * Method:    start0 
 * Signature: ()V 
 */ 
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_lang_Thread_start0 
  (JNIEnv *, jobject);

通过注释 Method: start0 我可以猜到，在 jvm 的内部也可能会存在 start0 这个方法，于是我又搜索了一下这个方法，找到了 Thread.c 文件。可以看到里面有一个 Java_java_lang_Thread_registerNatives() 方法，这就是用来初始化在 Thread.java 与其他方法的绑定，并且在 Threa.java 的第一个 static 块中就调用了这个方法，保证这个方法在类加载中是第一个被调用的方法。这个 native 方法的作用是为其他 native 方法注册到JVM中。代码如下所示：

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}, 
    {"countStackFrames", "()I",        (void *)&JVM_CountStackFrames}, 
    {"interrupt0",       "()V",        (void *)&JVM_Interrupt}, 
    {"isInterrupted",    "(Z)Z",       (void *)&JVM_IsInterrupted}, 
    {"holdsLock",        "(" OBJ ")Z", (void *)&JVM_HoldsLock}, 
    {"getThreads",        "()[" THD,   (void *)&JVM_GetAllThreads}, 
    {"dumpThreads",      "([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads}, 
    {"setNativeName",    "(" STR ")V", (void *)&JVM_SetNativeThreadName}, 
}; 
 
#undef THD 
#undef OBJ 
#undef STE 
#undef STR 
 
JNIEXPORT void JNICALL 
Java_java_lang_Thread_registerNatives(JNIEnv *env, jclass cls) 
{ 
    (*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, ARRAY_LENGTH(methods)); 
}

再回到我们的 start0 方法，此时我们就去查找 JVM_StartThread 方法是在他是在/hotspot/src/share/vm/prims/jvm.cpp 这个文件里面：

JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread)) 
  JVMWrapper("JVM_StartThread"); 
  JavaThread *native_thread = NULL; 
 
  // We cannot hold the Threads_lock when we throw an exception, 
  // due to rank ordering issues. Example:  we might need to grab the 
  // Heap_lock while we construct the exception. 
  bool throw_illegal_thread_state = false; 
 
  // We must release the Threads_lock before we can post a jvmti event 
  // in Thread::start. 
  { 
    // Ensure that the C++ Thread and OSThread structures aren't freed before 
    // we operate. 
    MutexLocker mu(Threads_lock); 
 
    // 1. 判断 Java 线程是否启动，如果已经启动，抛出异常 
    if (java_lang_Thread::thread(JNIHandles::resolve_non_null(jthread)) != NULL) { 
      throw_illegal_thread_state = true; 
    } else { 
      // 2. 如果没有创建，则会创建线程  
      jlong size = 
             java_lang_Thread::stackSize(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));   
      size_t sz = size > 0 ? (size_t) size : 0; 
      // 虚拟机创建 JavaThread， 该类内部会创建操作系统线程，然后关联 Java 线程   
      native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz); 
 
      if (native_thread->osthread() != NULL) { 
        // Note: the current thread is not being used within "prepare". 
        native_thread->prepare(jthread); 
      } 
    } 
  } 
 
  if (throw_illegal_thread_state) { 
    THROW(vmSymbols::java_lang_IllegalThreadStateException()); 
  } 
 
  assert(native_thread != NULL, "Starting null thread?"); 
 
  if (native_thread->osthread() == NULL) { 
    // No one should hold a reference to the 'native_thread'. 
    delete native_thread; 
    if (JvmtiExport::should_post_resource_exhausted()) { 
      JvmtiExport::post_resource_exhausted( 
        JVMTI_RESOURCE_EXHAUSTED_OOM_ERROR | JVMTI_RESOURCE_EXHAUSTED_THREADS, 
        "unable to create new native thread"); 
    } 
    THROW_MSG(vmSymbols::java_lang_OutOfMemoryError(), 
              "unable to create new native thread"); 
  } 
 
  // 设置线程状态为 Runnable 
  Thread::start(native_thread); 
 
JVM_END

JavaThread 类的构造方法我们一起来看看，他是通过 os::create_thread 函数来进行创建 Java 对应的内核线程

JavaThread::JavaThread(ThreadFunction entry_point, size_t stack_sz) : 
  Thread() 
{ 
  if (TraceThreadEvents) { 
    tty->print_cr("creating thread %p", this); 
  } 
  initialize(); 
  _jni_attach_state = _not_attaching_via_jni; 
  set_entry_point(entry_point); 
  os::ThreadType thr_type = os::java_thread; 
  thr_type = entry_point == &compiler_thread_entry ? os::compiler_thread : 
                                                     os::java_thread; 
  // 创建Java线程对应的内核线 
  os::create_thread(this, thr_type, stack_sz); 
  _safepoint_visible = false; 
}

os:create_thread 其实主要就是一个用来支持跨平台创建线程的，以 Linux 为例 (hotspot/src/os/linux/vm/os_linux.cpp)：

bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t stack_size) { 
  // ... 
   
  // 创建 OSThread 内核线程对象 
  OSThread* osthread = new OSThread(NULL, NULL); 
  // 绑定 
  thread->set_osthread(osthread); 
 
  pthread_t tid; 
  // pthread_create 为 linux api 用来创建线程。 
  int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) java_start, thread); 
  // ...   
  return true; 
}

我们可以通过 ubantu 的控制台来查询接口信息

man pthread_create 来进行查询文档

通过文档我们可以了解，当 pthread_create 函数执行创建完线程之后会调用第三个参数传递过去的回调函数

int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* ()(void)) java_start, thread);

在这里就是 java_start 函数

// Thread start routine for all newly created threads 
static void *java_start(Thread *thread) { 
 
  // 主要是调用 Thread 的 run 方法 
  thread->run(); 
 
  return 0; 
}

在 thread.cpp 中 JavaThread::run 方法最终调用了 thread_main_inner 方法：

// The first routine called by a new Java thread 
void JavaThread::run() { 
  
 
  // We call another function to do the rest so we are sure that the stack addresses used 
  // from there will be lower than the stack base just computed 
  thread_main_inner(); 
 
  // Note, thread is no longer valid at this point! 
}

在 thread_main_inner 方法内，在调用咱们之前创建 JavaThread 对象的时候传递进来的 entry_point 方法：

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); 
    // 调用 entry_point 方法 
    this->entry_point()(this, this); 
  } 
 
  DTRACE_THREAD_PROBE(stop, this); 
 
  this->exit(false); 
  delete this; 
}

通过上面的代码我们可以看到先创建了一个 JavaThread 对象，然后传入了 thread_entry 方法

// JVM_StartThread 创建操作系统线程，执行  thread_entry 函数 
static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) { 
  HandleMark hm(THREAD); 
  Handle obj(THREAD, thread->threadObj()); 
  JavaValue result(T_VOID); 
  // Thrad.start() 调用 java.lang.Thread 类的 run 方法 
  JavaCalls::call_virtual(&result, 
                          obj, 
                          KlassHandle(THREAD, SystemDictionary::Thread_klass()), 
                          vmSymbols::run_method_name(), 
                          vmSymbols::void_method_signature(), 
                          THREAD); 
}

我们再来看看我们 Java 中 Thread 类的 run 方法

public void run() { 
    if (target != null) { 
        // Thread.run() 又调用 Runnable.run() 
        target.run();  
    } 
}

参考资料

https://www.jb51.net/article/216231.htm

https://blog.csdn.net/u013928208/article/details/108051796

https://www.cnblogs.com/whhjava/p/9916626.html

https://www.runoob.com/w3cnote/jni-getting-started-tutorials.html

https://developer.51cto.com/art/202011/632936.htm

https://blog.csdn.net/weixin_34384681/article/details/90660510

https://blog.csdn.net/weixin_30267697/article/details/95994035

https://zhuanlan.zhihu.com/p/33830504