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(); } }
