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【原】Thread.start() ，工作这么久，还不知道它是怎么让线程跑起来的！

 小傅哥 2021-12-13


作者：小傅哥
博客：https://
Github：https://github.com/fuzhengwei/CodeGuide/wiki

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

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：

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：

  • 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

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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