JVM之Java线程启动流程

秒速五厘米 2023-10-11 12:45 60阅读 0赞

## **一：Java线程介绍** ##

做Java开发或者Android的同学，肯定对Java线程很熟悉。之前在阅读一些JVM相关的书时，了解到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，而同一个进程的线程之间是共享资源的。

## **二：Java线程入口分析** ##

想要启动一个Java线程，主要有两种方法，第一种可以实现一个继承自Thread的子类，重写run（）；第二种可以实现一个Runnable，交给Thread执行。这两种方法都很简便，我们可以根据自己的业务需求选择，但是无论选择哪种方法，都需要调用Thread.start（），才能真正的启动一个异步线程进行工作，笔者刚上大学接触Java时，曾经天真的以为调用Thread.run（）就行了，其实直接调用run（），JVM并不会去创建一个线程，run（）只会工作在原有线程，和调用普通对象的方法没有任何区别。

上面提到了要想启动线程，必须要调用Thread.start（），那么这个方法便是我们研究的入口了。

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) {
                    /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                      it will be passed up the call stack */
                }
            }
        }
    
        private native void start0();

通过上面的代码可以得知，start（）方法中做了一些线程状态判断等工作，但是真正启动Java线程的地方是调用了start0（），start0（）是一个Native方法。start0（）是何处实现的呢？我们先来看看Thread.c 中的一段定义：

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},
    };

上面定义了一个数组，数组中存放的为JNINativeMethod类型的结构体变量，JNINativeMethod定义在jni.h中：

typedef struct {
        char *name;
        char *signature;
        void *fnPtr;
    } JNINativeMethod;

JNINativeMethod主要是进行一个jni方法的映射关系，将native方法和真正的实现方法进行绑定。那么具体是何时进行绑定的呢？java层的Thread在类的静态初始化块中，调用了registerNatives（）方法：

private static native void registerNatives();
        static {
            registerNatives();
        }

我们来看看registerNatives（）对应的Jni方法：

JNIEXPORT void JNICALL Java_java_lang_Thread_registerNatives(JNIEnv *env, jclass cls)
    {
        (*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, ARRAY_LENGTH(methods));
    }

可见此时会将上述数组methods中的方法映射关系进行注册。

注册好了后，我们再来看看上面定义的数组，这里面将Java线程中的很多native方法与实现其功能的方法指针进行了绑定，比如start0（）就和JVM\_StartThread进行了绑定。所以我们想研究start0（），就直接看看JVM\_StartThread指针所指向的方法即可。

## **三：Java线程的创建** ##

JVM\_StartThread定义在jvm.cpp中：

JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
      JVMWrapper("JVM_StartThread");
      JavaThread *native_thread = NULL;
      bool throw_illegal_thread_state = false;
    
      {
    
        MutexLocker mu(Threads_lock);
        if (java_lang_Thread::thread(JNIHandles::resolve_non_null(jthread)) != NULL) {
          throw_illegal_thread_state = true;
        } else {
          jlong size =
                 java_lang_Thread::stackSize(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));
    
          size_t sz = size > 0 ? (size_t) size : 0;
          native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
          if (native_thread->osthread() != NULL) {
            native_thread->prepare(jthread);
          }
        }
      }
    
      ......
      Thread::start(native_thread);
    
    JVM_END

源码中本来有很多英文注释，我这里先给删了，下面来一步步分析下上面的代码吧。

1：判断Java线程是否已经启动，如果已经启动过，则会抛异常。

if (java_lang_Thread::thread(JNIHandles::resolve_non_null(jthread)) != NULL) {
          throw_illegal_thread_state = true;
     }

2: 如果第一步判断中，Java线程没有启动过，则会开始创建Java线程。

jlong size = java_lang_Thread::stackSize(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));
    size_t sz = size > 0 ? (size_t) size : 0;
    native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);

Java线程的创建过程主要就在JavaThread的构造函数中：

JavaThread::JavaThread(ThreadFunction entry_point, size_t stack_sz) :
                           Thread()
    {
      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;
      os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);
    }

最后一句os::create\_thread(this, thr\_type, stack\_sz) 便开始真正的创建Java线程对应的内核线程。

bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type,
                           size_t req_stack_size) {
        ......
        pthread_t tid;
        int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) thread_native_entry, thread);
        ......
        return true;
    }

上面这个方法主要就是利用pthread\_create（）来创建线程。其中第三个参数thread\_native\_entry便是新起的线程运行的初始地址，其为定义在os\_bsd.cpp中的一个方法指针，而第四个参数thread即thread\_native\_entry的参数：

static void *thread_native_entry(Thread *thread) {
      ......
      thread->run();
      ......
      return 0;
    }

新线程创建后就会从thread\_native\_entry（）开始运行，thread\_native\_entry（）中调用了thread->run（）：

// thread.cpp
    void JavaThread::run() {
      ......
      thread_main_inner();
    }

此方法最后调用了thread\_main\_inner（）：

// 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;
    }

我们重点关注下this->entry\_point()(this, this)，entry\_point（）返回的其实就是在 new JavaThread(&thread\_entry, sz) 时传入的thread\_entry。这里就相当于调用了thread\_entry（this，this）。thread\_entry定义在jvm.cpp中：

// jvm.cpp
    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);
    }

哈哈，这里见到了一个老朋友：JavaCalls。JavaCalls模块是用来调用Java方法的。不了解的朋友可以直接看之前写的文章[《JVM方法执行的来龙去脉》][JVM]。

我们来看看这里调用JavaCalls::call\_virtual（）传入的一些参数：

**obj：**Java线程对象；

**KlassHandle(THREAD, SystemDictionary::Thread\_klass())：**Java线程类，记录在SystemDictionary中，即java\_lang\_Thread；

**vmSymbols::run\_method\_name()：**即"run"；

**vmSymbols::void\_method\_signature()：**即"()V"；

**经过上面的分析，这里其实就是开始调用Java线程对象的run（）方法。**

3：开始执行所创建的内核线程，即从第二步所说的thread\_entry处开始执行。

Thread::start(native_thread);

## **四：总结** ##

到这里Java线程就已经真正的运行起来了，总结下上面的过程：

1：调用Java线程start（）方法，通过jni方式，调用到JVM层。