Java Thread:揭开Run方法被调用的真正面纱

Posted 2020-06-19 凌渡冰

揭开java线程和操作系统线程之间的神秘面纱

导语

我们知道，new一个thread，调用它的start的方法，就可以创建一个线程，并且启动该线程，然后执行该线程需要执行的业务逻辑，

那么run方法是怎么被执行的呢？

Java线程和os线程

os线程

我们知道，java的一个线程实际上是对应了操作系统的一个线程；

而操作系统实现线程有三种方式：

• 内核线程实现
• 用户线程实现
• 用户线程加轻量级进程混合实现

内核线程实现

简要说明：

内核线程（Kernel-Level Thread简称KLT）是直接由操作系统内核直接支持的线程，这种线程由内核完成线程切换，内核通过操纵调度器对线程进行调度，

并负责将线程的任务映射到各个处理器上。

每个内核线程可以视为内核的一个分身，这样操作系统就有能力处理多件事情，这种支持多线程的内核就叫做多线程内核；

程序一般不会直接操作内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口：轻量级进程（Light Weight Process,简称LWP）,轻量级进程就是我们通常所讲的

线程，每个轻量级进程都由一个内核线程支持，这种轻量级进程与内核线程1：1的关系称为一对一的线程模型。

优势：由于有了内核线程的支持，每个轻量级进程都称为一个独立的调度单元，即使有一个轻量级进程在系统中阻塞了，也不会影响整个进程继续工作；

劣势：

1. 由于基于内核线程实现，所以各种线程操作（创建，析构及同步等）都需要进行系统调用（系统调用代价相对较高，需要在用户态[User Mode]和内核态[Kernel Mode]来回切换）；
2. 每个轻量级进程需要一个内核线程支持，因此需要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的；

用户线程实现

简要说明：

用户线程：

• 广义上来讲，任何非内核线程都可以认为是用户线程（User Thread，简称UT）;
• 狭义上来讲，完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知线程存在的实现；

特点：

1. 用户线程的创建、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要内核的帮助，这种线程不需要切换到内核态，操作可以非常快速且低消耗；
2. 支持更大的线程数量；
3. 这种进程与用户线程之间1：N的关系称为一对多的线程模型；

用户线程的优势就是不需要系统内核支援，劣势就是没有内核支持，所有的线程操作（如线程的创建、切换和调度等）都需要用户程序自己处理。

用户线程加轻量级进程混合实现

简要说明：

用户线程+轻量级进程特点：

• 用户线程的创建、析构、切换等操作很廉价；
• 支持大规模的用户线程并发；
• 操作系统提供的轻量级进程作为用户线程和内核线程之间的桥梁，提供线程调度功能及处理器映射；
• 用户线程的系统调用通过轻量级进程完成，降低了整个进程完全被阻塞的风险；
• 这种用户线程和轻量级进程的数量比不定，即N:M的关系，称为多对多的线程模型

Java线程

Java线程在JDK1.2之前，是基于用户线程实现的。而在JDK1.2中，线程模型替换为基于操作系统原生线程模型来实现。

而在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，在很大程度上决定了Java虚拟机的线程是怎样映射的，这点在不同的平台上没法达成一致。

对于Sun JDK来说，它的Windows版本和Linux版本都是使用一对一的线程模型实现的，一条Java线程映射到一条轻量级进程之中。

Java线程创建

创建方式

Desc：我们看到，无论以哪种方式创建，最终我们都会重写一个叫做 run 的方法，来处理我们的业务逻辑，然而我们都是调用一个start方法，来启动一个线程；

那 start方法和run方法之间是一个什么关系呢？从后边的介绍我们将获得这样一个信息：run就是一个回调函数，和我们普通的函数没有区别。

Java线程的实现

一个 Java 线程的创建本质上就对应了一个本地线程（native thread）的创建，两者是一一对应的。

关键问题是：本地线程执行的应该是本地代码，而 Java 线程提供的线程函数（run）是 Java 方法，编译出的是 Java 字节码，

所以， Java 线程其实提供了一个统一的线程函数，该线程函数通过 Java 虚拟机调用 Java 线程方法 , 这是通过 Java 本地方法调用来实现的。

以下是 Thread#start 方法的示例：

 

可以看到它实际上调用了本地方法 start0, 而start0声明如下：

private native void start0();

也就是新创建的线程启动调用native start0方法，而这些native方法的注册是在Thread对象初始化的时候完成的，look：

Thread 类有个 registerNatives 本地方法，该方法主要的作用就是注册一些本地方法供 Thread 类使用，如 start0()，stop0() 等等，可以说，所有操作本地线程的本地方法都是由它注册的。

这个方法放在一个 static 语句块中，当该类被加载到 JVM 中的时候，它就会被调用，进而注册相应的本地方法。

而本地方法 registerNatives 是定义在 Thread.c 文件中的。Thread.c 是个很小的文件，它定义了各个操作系统平台都要用到的关于线程的公用数据和操作，如下：

 1 JNIEXPORT void JNICALL
 2  Java_Java_lang_Thread_registerNatives (JNIEnv *env, jclass cls){ //registerNatives
 3    (*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, ARRAY_LENGTH(methods));
 4  }
 5  static JNINativeMethod methods[] = {
 6     {"start0", "()V",(void *)&JVM_StartThread}, //start0 方法
 7     {"stop0", "(" OBJ ")V", (void *)&JVM_StopThread},
 8      {"isAlive","()Z",(void *)&JVM_IsThreadAlive},
 9      {"suspend0","()V",(void *)&JVM_SuspendThread},
10      {"resume0","()V",(void *)&JVM_ResumeThread},
11      {"setPriority0","(I)V",(void *)&JVM_SetThreadPriority},
12      {"yield", "()V",(void *)&JVM_Yield},
13      {"sleep","(J)V",(void *)&JVM_Sleep},
14      {"currentThread","()" THD,(void *)&JVM_CurrentThread},
15      {"countStackFrames","()I",(void *)&JVM_CountStackFrames},
16      {"interrupt0","()V",(void *)&JVM_Interrupt},
17      {"isInterrupted","(Z)Z",(void *)&JVM_IsInterrupted},
18      {"holdsLock","(" OBJ ")Z",(void *)&JVM_HoldsLock},
19      {"getThreads","()[" THD,(void *)&JVM_GetAllThreads},
20      {"dumpThreads","([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads},
21  };

观察上边一小段代码，可以容易的看出 Java 线程调用 start->start0 的方法，实际上会调用到 JVM_StartThread 方法，那这个方法又是怎么处理的呢？

实际上，我们需要看到的是该方法最终要调用 Java 线程的 run 方法，事实的确也是这样的。

在 jvm.cpp 中，有如下代码段：

JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread)){
    ...
    native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
    ...
}

 

这里JVM_ENTRY是一个宏，用来定义JVM_StartThread 函数，可以看到函数内创建了真正的平台相关的本地线程，其线程函数是 thread_entry，如下：

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()),
    vmSymbolHandles::run_method_name(),    //LOOK! 看这里
    vmSymbolHandles::void_method_signature(),THREAD);
 }

 可以看到调用了 vmSymbolHandles::run_method_name 方法，而run_method_name是在 vmSymbols.hpp 用宏定义的：

class vmSymbolHandles: AllStatic {
   ...
    template(run_method_name,"run")  //LOOK!!! 这里决定了调用的方法名称是 “run”!
   ...
}

Java线程创建调用关系