Java并发编程：Thread与Runnable的底层原理

Posted 2023-02-28 fntp

一、Thread类与Runnable接口的渊源

本篇是Java并发编程系列第二章，本章主要讲解Thread类与Runnable接口。

（1）Runnable接口的内容详解

在了解Thread类与Runnable接口之前，我觉得有必要先单独对Runnable接口做一个简略的概述。

首先，对于Runnable来说，Runnable，英文翻译一下，就是可运行的，可执行的。但是我如果给他换一种写法呢？RUNNABLE，眼熟吗？这不就是我上一篇文章中提到的RUNNABLE运行状态吗？

如果我们再看一眼Runnable的接口的源码，我们或许就能知道其中委实了。

Runnable 接口应该由其实例打算由线程执行的任何类实现。该类必须定义一个没有参数的方法，称为run。该接口旨在为希望在活动时执行代码的对象提供通用协议。例如，Runnable 是由类 Thread 实现的。处于活动状态仅意味着线程已启动且尚未停止。此外，Runnable 提供了使类处于活动状态而不是子类化 Thread 的方法。实现 Runnable 的类可以通过实例化 Thread 实例并将其自身作为目标传入而无需子类化 Thread 即可运行。

什么意思？读到这里，有两点问题。

（1）为什么Runnable接口只有一个方法？

（2）既然可以通过集成Thread类来达到实现创建线程类，为什么还要实现Runnable接口？

讲到这里，我觉得需要提一下！在大多数情况下，如果您只打算覆盖 run() 方法而不打算覆盖其他 Thread 方法，则应该直接使用 Runnable 接口。这很重要，除非你打算修改或增强类的基本行为，否则不应继承Thread类。。

下面我们来讲解一下问题的答案。

首先，对于第一个问题。我们只需要看Runnable接口的源码就可以发现端倪。没错，就是这个接口上面的@FunctionalInterface。这是什么？这是函数式接口。只有一个抽象方法，这是函数式接口的定义。这种定义是出现在jdk1.8之前的。其次，我们既然可以直接通过继承Thread类来实现线程的创建，为什么还要去另搞一个Runnable接口呢？继承Thread类就可以达到目的，再去实现Runnable接口，岂不是多此一举？其实不然，通过查阅Thread类源码，我们会得知，Thread类实现了Runnable接口，如下图所示。

这里煎蛋讲一下函数式接口，所谓函数式接口，就是一个有且仅有一个抽象方法，但是可以有多个非抽象方法的接口，并且在形式上，函数式接口可以被隐式转换为 lambda 表达式。

我们现在终于知道了，原来Thread就是Runnable接口的实现类，与Runnable接口不同的是，Thread类中不仅包含重写的run方法，并且包含众多Thread内部的自己的方法。其实读到这里啊，如果你以前阅读过我的上一篇文章，你就能知道，线程的实现，本质上只有一种方式，那就是实现Runnable接口。具体的详细剖析点击此处看我的原文剖析。

我希望你脑海中存在一个疑问：为什么我以继承Thread类的形式来实现线程，却还需要重写Thread的run方法？这是为什么？

我暂且用两张图来说明继承Thread类与实现Runnable接口两种原则上看似不同实则相同的线程实现方式背后的小问题。请看下面两张图：


这两张图说明了什么问题？

1. Thread内部存在一个私有化的Runnable类型的成员属性：target。
2. Thread作为Runnable的实现类，在底层重写run方法的时候，默认使用target对象来调用run方法。

所以，我来给你解答一下心中的疑惑：java是不支持多继承的，只能单继承，可以多实现接口。正因为你选择了Java中较为鸡肋的继承方式来实现线程，就导致了线程的扩展性被限制死，以至于Thread内部提供了一系列的私有方法来弥补单继承带来的缺点，为以继承方式实现线程提供更多可能的API。这是其一，其二，根据上图源码可知道，如果我继承了Thread类不去重写Run方法，那么就会导致该继承类复用父类Thread的run方法，由于你没通过构造函数传递Runnable的形参，所以target就是空的，那么最终就会走向
exit() 方法，在线程实际退出之前进行清理。

总结：
（1）实现线程本质只有一种方式：实现Runnale接口。因为继承Thread类，在你不使用Thread的其他API的情况下，单纯以实现线程的角度来看，继承Thread来实现线程本质就是在通过Runnable实现线程。

注意，我这里说的是实现线程。要想启动线程，底层依靠的是Thread内部类的native本地方法start0()。关于这个方法底层实现，下文会详解。

（2）Thread类的Start() 方法的底层实现与原理分析

接上文，我们说，实现线程是实现Runnable接口，但是要想启动线程，底层依靠的是Thread内部类的native本地方法start0()。
这个方法是通过c语言写的，这么做的目的，主要是满足：java一次编写，四处运行的理念，这一理念的实现方式，就是JNI机制。何为JNI？（JNI全称就是Java Native Interface，java本地接口），当然了这也离不开JVM的功劳。我画了一个简单的图示意一下底层调用本地方法的原理。如下图所示：

看了我的Java为什么需要虚拟机文章，你就知道了，我们看到的线程是Java的内部线程，真正的线程是说操作系统的线程，当我们调用start0()方法，也就是本地方法的时候，会通过jvm进行编译转录，根据操作系统的不同生成不同的文件，通过动态链接库最后将资源引入，完成对本地方法的调用。

当然了，我也清楚，你不喜欢讲话讲一半，不见真章不死心。我特地寻找了Java的虚拟机源码来简单验证一下。如果你想要下载jdk源码分析，我这里举一个例子，由于离不开对虚拟机源码以及JDK源码的讲解预与演示，我以open-jdk8-hotspot虚拟机作为案例简单分析，下载open-jdk8-hotspot虚拟机源码。

我这里以虚拟机部分作为讲解案例。下载后能看见，hotspot内部的src下有一个os目录，os就是操作系统Operation System。里面做了具体的分类。windows、Linux等。

上面的截图指向的是open-jdk的java虚拟机hotspot虚拟机源码。我们要想溯源，需要根据Thread的本地方法源文件才能溯源，所以我准备了open-jdk8源码，在这里我们找到Thread.c这个文件。如下图：

重点来了，看下图啊：

看到了吗？源码中很清晰的写出了start0()、sleep() 、yield() 等方法，是不是有点欧亨利的感觉？出人意料但又在情理之中。我们知道在java中，start0()方法是线程调用start()方法的最终底层方法，作用是启动一个线程。而sleep() 方法是将线程进入Timed_waiting状态的，这必然需要去更新系统系统状态，所以不用想，sleep就是一个本地方法。再看yield方法，也一样，yield作为一个动词，英文翻译就是放弃，也就是调用此方法的线程主动放弃获得CPU时间片以及其他资源分配，重新进入Ready状态，与其他处于Ready状态的线程进行竞争，竞争到了资源，才会进入Running状态，这里提到的都是第一篇的内容，不明白的读者可以前去看我第一篇文章。

看到这里都已经明白了，接下来就是全局搜索jvm.h文件了。

我们此行目的别忘了，我们是想找到这个start0()
方法调用的背后的底层到底是如何实现的，我们再来看一下Thread.c文件是如何描述start0()这个方法的呢？

我们可以看到，他调用了引入的jvm.h函数集合中的JVM_StartThread方法，那么我们就去jvm.h中查看这个方法：下图是jvm.h的内部函数：

好了，找到了jvm.h接口函数集合文件，也找到了其中的启动线程、睡眠线程、让步线程、中断线程等方法对应的低层实现，接下来就是找到这些接口的具体实现文件，没错就是jvm.cpp文件，于是再次全局搜索jvm.cpp文件：

找到这个文件之后，我们打开这个文件，然后来看一下。

这里发现了以下几点问题：

1. 这里仍旧使用了函数，thread函数，他是如何构建CPP线程的？
2. 这里有一个重载的JVMWrapper（）方法，干嘛用的？（由于这个问题与本文目的关联并不大，所以此问题2不做解读）
   接着往下 look look吧。
   我们通过阅读源码发现，因为JDK 5 的lang包下的线程中，线程的状态是用来防止重新启动一个线程已经开始,因此我们应该通常要先发现Java线程是null这个问题，然后再做处理。然而JNI附加线程之间有一个小窗口被创建线程对象(Java线程组)和更新它的线程状态,所以我们必须检查。

流程分析：
在底层创建操作系统级别的线程时候，需要进行创建如果说未通过校验，那么就会将非法线程状态标记为true，如果通过了，很好，就会进入正式的线程创建。本地实例化线程是通过使用cpp构造器进行的，通过cpp构造器实例化本地线程。

所以全局搜索Thread.cpp，进入源码分析。我们可以看到，底层创建系统线程的时候进行了OS的调用，让操作系统来创建线程，既然涉及到操作系统，那么一定会有区分。上文中提到得系统分类目录，与此处必定有关联，因此，我们只需要随便以一个操作系统为例，关注create_thread() 函数即可。

  os::ThreadType thr_type = os::java_thread;
  thr_type = entry_point == &compiler_thread_entry ? os::compiler_thread :
                                                     os::java_thread;
  // 创建线程的方法 create_thread
  os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);

随便找一个系统进行查看源码，在hotspot虚拟机源码的src目录下有一个os目录，进去后，我选择了windows目录找到这个cpp文件：

然后直接搜索，create_thread方法，如下图所示，我们就找到了最终底层操作系统创建线程的方法：

本节总结

1. Java中的线程与操作系统的线程不是一个线程，他们之间是通过jvm建立联系的，并且是 一 一 对应的。
2. Java中的线程启动的方法是通过JNI机制实现的，最终调用create_thread（windows系统中）方法，创建了一个系统线程。
3. 他的调用链路是Thread.java->jvm.h->jvm.cpp->thread.cpp->os_windows.cpp->create_thread->osthread。

好了，今天的Java学习笔记总结到这里。总体介绍了Java多线程中的Thread类底层实现原理，与Runnable接口的作用。知其然不知其所以然是很严重的，既然知道Java的内部细节，就要去了解一下内部细节是怎么通过底层代码实现的。一年之前的约定，jvm源码系列详解，也会陆续更新。不过，我想还是有始有终，先把Java并发编程系列更新完毕！本系列可能会非常长，因为大多直接介绍底层实现原理，涉及到源码部分的诸多内容，希望同为钟爱Java、学习Java的兄弟姐妹们，有笔误的地方请一定告知在下，不能误导大家！我会及时更改的！好了，今天的内容到此结束，后续会持续更新，下节预告：