面試官問如何啟動Java 線程
面試官：我考你個題，看看你進大廠的幾率大不。嗯… Java 線程如何啟動的？
謝飛機：如何啟動的？start 啟動的！
面試官：還有嗎？
謝飛機：嗯…，沒瞭！
面試官：嗯，可能會與不會這一個題並不會讓你代碼有多牛、有多好，但是你的技術棧深度和廣度，決定你的編程職業生涯是否有一條康莊大道。還是要多努力！
一、線程啟動分析
new Thread(() -> {
// todo
}).start();
咳咳，Java 的線程創建和啟動非常簡單，但如果問一個線程是怎麼啟動起來的往往並不清楚，甚至不知道為什麼啟動時是調用start()，而不是調用run()方法呢？
那麼，為瞭讓大傢有一個更直觀的認知，我們先站在上帝視角。把這段 Java 的線程代碼，到 JDK 方法使用，以及 JVM 的相應處理過程，展示給大傢，以方便我們後續逐步分析。
以上，就是一個線程啟動的整體過程分析，會涉及到如下知識點：
- 線程的啟動會涉及到本地方法（JNI）的調用，也就是那部分 C++ 編寫的代碼。
- JVM 的實現中會有不同操作系統對線程的統一處理，比如：Win、Linux、Unix。
- 線程的啟動會涉及到線程的生命周期狀態（RUNNABLE），以及喚醒操作，所以最終會有回調操作。也就是調用我們的 run() 方法
接下來，我們就開始逐步分析每一步源碼的執行內容，從而瞭解線程啟動過程。
二、線程啟動過程
1. Thread start UML 圖
這是線程的啟動過程時序圖，整體的鏈路較長，會涉及到 JVM 的操作。核心源碼如下：
Thread.c
jvm.cpp
thread.cpp
os.cpp
os_linux.cpp
os_windows.cpp
vmSymbols.hpp
2. Java 層面 Thread 啟動
2.1 start() 方法
new Thread(() -> {
// todo
}).start();
// JDK 源碼
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) {}
}
}
線程啟動方法 start()，在它的方法英文註釋中已經把核心內容描述出來。Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine calls the run method of this thread. 這段話的意思是：由 JVM 調用此線程的 run 方法，使線程開始執行。其實這就是一個 JVM 的回調過程，下文源碼分析中會講到
另外 start() 是一個 synchronized 方法，但為瞭避免多次調用，在方法中會由線程狀態判斷。threadStatus != 0。
group.add(this)，是把當前線程加入到線程組，ThreadGroup。
start0()，是一個本地方法，通過 JNI 方式調用執行。這一步的操作才是啟動線程的核心步驟。
2.2 start0() 本地方法
// 本地方法 start0
private native void start0();
// 註冊本地方法
public class Thread implements Runnable {
/* Make sure registerNatives is the first thing <clinit> does. */
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
// ...
}
start0()，是一個本地方法，用於啟動線程。registerNatives()，這個方法是用於註冊線程執行過程中需要的一些本地方法，比如：start0、isAlive、yield、sleep、interrupt0等。
registerNatives，本地方法定義在 Thread.c 中，以下是定義的核心源碼：
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},
};
從定義中可以看到，start0 方法會執行 &JVM_StartThread 方法，最終由 JVM 層面啟動線程。
3. JVM 創建線程
3.1 JVM_StartThread
JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
JVMWrapper("JVM_StartThread");
JavaThread *native_thread = NULL;
// 創建線程
native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
// 啟動線程
Thread::start(native_thread);
JVM_END
這部分代碼比較多，但核心內容主要是創建線程和啟動線程，另外 &thread_entry 也是一個方法，如下：
thread_entry，線程入口
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);
}
重點，在創建線程引入這個線程入口的方法時，thread_entry 中包括瞭 Java 的回調函數 JavaCalls::call_virtual。這個回調函數會由 JVM 調用。
vmSymbols::run_method_name()，就是那個被回調的方法，源碼如下：
#define VM_SYMBOLS_DO(template, do_alias) template(run_method_name, "run")
這個 run 就是我們的 Java 程序中會被調用的 run 方法。接下來我們繼續按照代碼執行鏈路，尋找到這個被回調的方法在什麼時候調用的。
3.2 JavaThread
native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
接下來，我們繼續看 JavaThread 的源碼執行內容。
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，就是我們上面的thread_entry方法。size_t stack_sz，表示進程中已有的線程個數。- 這兩個參數，都會傳遞給
os::create_thread方法，用於創建線程使用。
3.3 os::create_thread
源碼：
- os_linux.cpp：
- os_windows.cpp：
眾所周知，JVM 是個啥！，所以它的 OS 服務實現，Liunx 還有 Windows 等，都會實現線程的創建邏輯。這有點像適配器模式
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)，初始化已分配的狀態，但此時並沒有初始化。
pthread_create，是類Unix操作系統（Unix、Linux、Mac OS X等）的創建線程的函數。
java_start，重點關註類，是實際創建線程的方法。
3.4 java_start
static void *java_start(Thread *thread) {
// 線程ID
int pid = os::current_process_id();
// 設置線程
ThreadLocalStorage::set_thread(thread);
// 設置線程狀態：INITIALIZED 初始化完成
osthread->set_state(INITIALIZED);
// 喚醒所有線程
sync->notify_all();
// 循環，初始化狀態，則一致等待 wait
while (osthread->get_state() == INITIALIZED) {
sync->wait(Mutex::_no_safepoint_check_flag);
}
// 等待喚醒後，執行 run 方法
thread->run();
return 0;
}
JVM 設置線程狀態，INITIALIZED 初始化完成。
sync->notify_all()，喚醒所有線程。
osthread->get_state() == INITIALIZED，while 循環等待
thread->run()，是等待線程喚醒後，也就是狀態變更後，才能執行到。這在我們的線程執行UML圖中，也有所體現
4. JVM 啟動線程
JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
JVMWrapper("JVM_StartThread");
JavaThread *native_thread = NULL;
// 創建線程
native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
// 啟動線程
Thread::start(native_thread);
JVM_END
JVM_StartThread 中有兩步，創建（new JavaThread）、啟動（Thread::start）。創建的過程聊完瞭，接下來我們聊啟動。
4.1 Thread::start
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 會有不同的啟動代碼邏輯
os::start_thread(thread);
}
}
如果沒有禁用線程 DisableStartThread 並且是 Java 線程 thread->is_Java_thread()，那麼設置線程狀態為 RUNNABLE。
os::start_thread(thread)，調用線程啟動方法。不同的 OS 會有不同的啟動代碼邏輯
4.2 os::start_thread(thread)
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) ，設置線程狀態 RUNNABLE
pd_start_thread(thread) ，啟動線程，這個就由各個 OS 實現類，實現各自系統的啟動方法瞭。比如，windows系統和Linux系統的代碼是完全不同的。
4.3 pd_start_thread(thread)
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();
}
- 這部分代碼 notify() 最關鍵，它可以喚醒線程。
- 線程喚醒後，3.4 中的 thread->run(); 就可以繼續執行瞭。
5. JVM 線程回調
5.1 thread->run()[JavaThread::run()]
// The first routine called by a new Java thread
void JavaThread::run() {
// ... 初始化線程操作
thread_main_inner();
}
- os_linux.cpp 類中的 java_start 裡的 thread->run()，最終調用的就是 thread.cpp 的 JavaThread::run() 方法。
- 這部分還需要繼續往下看，thread_main_inner(); 方法。
5.2 thread_main_inner
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;
}
- 這裡有你熟悉的設置的線程名稱，
this->set_native_thread_name(this->get_thread_name())。 - this->entry_point()，實際調用的就是 3.1 中的 thread_entry 方法。
- thread_entry，方法最終會調用到 JavaCalls::call_virtual 裡的
vmSymbols::run_method_name()。也就是 run() 方法，至此線程啟動完成。終於串回來瞭！
三、總結
- 線程的啟動過程涉及到瞭 JVM 的參與，所以如果沒有認真瞭解過，確實很難從一個本地方法瞭解的如此透徹。
- 整個源碼分析可以結合著代碼調用UML時序圖進行學習，基本核心過程包括：Java 創建線程和啟動、調用本地方法 start0()、JVM 中
JVM_StartThread的創建和啟動、設置線程狀態等待被喚醒、根據不同的OS啟動線程並喚醒、最後回調 run() 方法啟動 Java 線程。
到此這篇關於面試官問如何啟動Java 線程的文章就介紹到這瞭,更多相關啟動Java 線程內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！
推薦閱讀：
- Java線程生命周期的終止與復位
- Java進階必備之多線程編程
- 分析JVM源碼之Thread.interrupt系統級別線程打斷
- java多線程join()方法的作用和實現原理解析(應用場景)
- Java 解析線程的幾種狀態詳解