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Thread.start()让线程启动的方法是什么

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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。

Thread.start()让线程启动的方法是什么


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。

线程启动过程

1. Thread start UML 图

Thread.start()让线程启动的方法是什么


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  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  RUNNABLEpd_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!

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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