(三)从jvm层面了解线程的启动和停止

文章简介

这一篇主要围绕线程状态控制相关的操作分析线程的原理，比如线程的中断、线程的通信等

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• 线程的启动的实现原理

• 线程停止的实现原理分析

• 为什么中断线程会抛出InterruptedException

线程的启动原理

前面我们简单分析过了线程的使用，通过调用线程的start方法来启动线程，线程启动后会调用run方法执行业务逻辑，run方法执行完毕后，线程的生命周期也就终止了。 很多同学最早学习线程的时候会比较疑惑，启动一个线程为什么是调用start方法，而不是run方法，这做一个简单的分析，先简单看一下start方法的定义

1. public class Thread implements Runnable {

2. ...

3. public synchronized void start() {

4.        /**

5.         * This method is not invoked for the main method thread or "system"

6.         * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added

7.         * to this method in the future may have to also be added to the VM.

8.         *

9.         * A zero status value corresponds to state "NEW".

10.         */

11.        if (threadStatus != 0)

12.            throw new IllegalThreadStateException();

13.        /* Notify the group that this thread is about to be started

14.         * so that it can be added to the group's list of threads

15.         * and the group's unstarted count can be decremented. */

16.        group.add(this);

17.        boolean started = false;

18.        try {

19.            start0(); //注意这里

20.            started = true;

21.        } finally {

22.            try {

23.                if (!started) {

24.                    group.threadStartFailed(this);

25.                }

26.            } catch (Throwable ignore) {

27.                /* do nothing. If start0 threw a Throwable then

28.                  it will be passed up the call stack */

29.            }

30.        }

31.    }

32.    private native void start0();//注意这里

33. ...

我们看到调用start方法实际上是调用一个native方法start0()来启动一个线程，首先start0()这个方法是在Thread的静态块中来注册的，代码如下

1. public class Thread implements Runnable {

2.    /* Make sure registerNatives is the first thing <clinit> does. */

3.    private static native void registerNatives();

4.    static {

5.        registerNatives();

6.    }

这个registerNatives的作用是注册一些本地方法提供给Thread类来使用，比如start0()、isAlive()、currentThread()、sleep()；这些都是大家很熟悉的方法。 registerNatives的本地方法的定义在文件 Thread.cThread.c定义了各个操作系统平台要用的关于线程的公共数据和操作，以下是Thread.c的全部内容

1. static JNINativeMethod methods[] = {

2.    {"start0",           "()V",        (void *)&JVM_StartThread},

3.    {"stop0",            "(" OBJ ")V", (void *)&JVM_StopThread},

4.    {"isAlive",          "()Z",        (void *)&JVM_IsThreadAlive},

5.    {"suspend0",         "()V",        (void *)&JVM_SuspendThread},

6.    {"resume0",          "()V",        (void *)&JVM_ResumeThread},

7.    {"setPriority0",     "(I)V",       (void *)&JVM_SetThreadPriority},

8.    {"yield",            "()V",        (void *)&JVM_Yield},

9.    {"sleep",            "(J)V",       (void *)&JVM_Sleep},

10.    {"currentThread",    "()" THD,     (void *)&JVM_CurrentThread},

11.    {"countStackFrames", "()I",        (void *)&JVM_CountStackFrames},

12.    {"interrupt0",       "()V",        (void *)&JVM_Interrupt},

13.    {"isInterrupted",    "(Z)Z",       (void *)&JVM_IsInterrupted},

14.    {"holdsLock",        "(" OBJ ")Z", (void *)&JVM_HoldsLock},

15.    {"getThreads",        "()[" THD,   (void *)&JVM_GetAllThreads},

16.    {"dumpThreads",      "([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads},

17.    {"setNativeName",    "(" STR ")V", (void *)&JVM_SetNativeThreadName},

18. };

19. #undef THD

20. #undef OBJ

21. #undef STE

22. #undef STR

23. JNIEXPORT void JNICALL

24. Java_java_lang_Thread_registerNatives(JNIEnv *env, jclass cls)

25. {

26.    (*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, ARRAY_LENGTH(methods));

27. }

从这段代码可以看出，start0()，实际会执行 JVM_StartThread方法，这个方法是干嘛的呢？ 从名字上来看，似乎是在JVM层面去启动一个线程，如果真的是这样，那么在JVM层面，一定会调用Java中定义的run方法。那接下来继续去找找答案。我们找到 jvm.cpp这个文件；这个文件需要下载hotspot的源码才能找到.

1. JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))

2.  JVMWrapper("JVM_StartThread");

3. ...

4. native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);

5. ...

JVM_ENTRY是用来定义 JVM_StartThread函数的，在这个函数里面创建了一个真正和平台有关的本地线程. 本着打破砂锅查到底的原则，继续看看 newJavaThread做了什么事情,继续寻找JavaThread的定义 在hotspot的源码中 thread.cpp文件中1558行的位置可以找到如下代码

1. JavaThread::JavaThread(ThreadFunction entry_point, size_t stack_sz) :

2.  Thread()

3. #if INCLUDE_ALL_GCS

4.  , _satb_mark_queue(&_satb_mark_queue_set),

5.  _dirty_card_queue(&_dirty_card_queue_set)

6. #endif // INCLUDE_ALL_GCS

7. {

8.  if (TraceThreadEvents) {

9.    tty->print_cr("creating thread %p", this);

10.  }

11.  initialize();

12.  _jni_attach_state = _not_attaching_via_jni;

13.  set_entry_point(entry_point);

14.  // Create the native thread itself.

15.  // %note runtime_23

16.  os::ThreadType thr_type = os::java_thread;

17.  thr_type = entry_point == &compiler_thread_entry ? os::compiler_thread :

18.                                                     os::java_thread;

19.  os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);

20.  _safepoint_visible = false;

21.  // The _osthread may be NULL here because we ran out of memory (too many threads active).

22.  // We need to throw and OutOfMemoryError - however we cannot do this here because the caller

23.  // may hold a lock and all locks must be unlocked before throwing the exception (throwing

24.  // the exception consists of creating the exception object & initializing it, initialization

25.  // will leave the VM via a JavaCall and then all locks must be unlocked).

26.  //

27.  // The thread is still suspended when we reach here. Thread must be explicit started

28.  // by creator! Furthermore, the thread must also explicitly be added to the Threads list

29.  // by calling Threads:add. The reason why this is not done here, is because the thread

30.  // object must be fully initialized (take a look at JVM_Start)

31. }

这个方法有两个参数，第一个是函数名称，线程创建成功之后会根据这个函数名称调用对应的函数；第二个是当前进程内已经有的线程数量。最后我们重点关注与一下 os::create_thread,实际就是调用平台创建线程的方法来创建线程。 接下来就是线程的启动，会调用Thread.cpp文件中的Thread::start(Thread* thread)方法，代码如下

1. void Thread::start(Thread* thread) {

2.  trace("start", thread);

3.  // Start is different from resume in that its safety is guaranteed by context or

4.  // being called from a Java method synchronized on the Thread object.

5.  if (!DisableStartThread) {

6.    if (thread->is_Java_thread()) {

7.      // Initialize the thread state to RUNNABLE before starting this thread.

8.      // Can not set it after the thread started because we do not know the

9.      // exact thread state at that time. It could be in MONITOR_WAIT or

10.      // in SLEEPING or some other state.

11.      java_lang_Thread::set_thread_status(((JavaThread*)thread)->threadObj(),

12.                                          java_lang_Thread::RUNNABLE);

13.    }

14.    os::start_thread(thread);

15.  }

16. }

start方法中有一个函数调用： os::start_thread(thread);，调用平台启动线程的方法，最终会调用Thread.cpp文件中的JavaThread::run()方法

1. // The first routine called by a new Java thread

2. void JavaThread::run() {

3.  // initialize thread-local alloc buffer related fields

4.  this->initialize_tlab();

5.  // used to test validitity of stack trace backs

6.  this->record_base_of_stack_pointer();

7.  // Record real stack base and size.

8.  this->record_stack_base_and_size();

9.  // Initialize thread local storage; set before calling MutexLocker

10.  this->initialize_thread_local_storage();

11.  this->create_stack_guard_pages();

12.  this->cache_global_variables();

13.  // Thread is now sufficient initialized to be handled by the safepoint code as being

14.  // in the VM. Change thread state from _thread_new to _thread_in_vm

15.  ThreadStateTransition::transition_and_fence(this, _thread_new, _thread_in_vm);

16.  assert(JavaThread::current() == this, "sanity check");

17.  assert(!Thread::current()->owns_locks(), "sanity check");

18.  DTRACE_THREAD_PROBE(start, this);

19.  // This operation might block. We call that after all safepoint checks for a new thread has

20.  // been completed.

21.  this->set_active_handles(JNIHandleBlock::allocate_block());

22.  if (JvmtiExport::should_post_thread_life()) {

23.    JvmtiExport::post_thread_start(this);

24.  }

25.  EventThreadStart event;

26.  if (event.should_commit()) {

27.     event.set_javalangthread(java_lang_Thread::thread_id(this->threadObj()));

28.     event.commit();

29.  }

30.  // We call another function to do the rest so we are sure that the stack addresses used

31.  // from there will be lower than the stack base just computed

32.  thread_main_inner();

33.  // Note, thread is no longer valid at this point!

34. }

这个方法中主要是做一系列的初始化操作，最后有一个方法 thread_main_inner, 接下来看看这个方法的逻辑是什么样的

1. void JavaThread::thread_main_inner() {

2.  assert(JavaThread::current() == this, "sanity check");

3.  assert(this->threadObj() != NULL, "just checking");

4.  // Execute thread entry point unless this thread has a pending exception

5.  // or has been stopped before starting.

6.  // Note: Due to JVM_StopThread we can have pending exceptions already!

7.  if (!this->has_pending_exception() &&

8.      !java_lang_Thread::is_stillborn(this->threadObj())) {

9.    {

10.      ResourceMark rm(this);

11.      this->set_native_thread_name(this->get_thread_name());

12.    }

13.    HandleMark hm(this);

14.    this->entry_point()(this, this);

15.  }

16.  DTRACE_THREAD_PROBE(stop, this);

17.  this->exit(false);

18.  delete this;

19. }

和主流程无关的代码咱们先不去看，直接找到最核心的代码块 this->entry_point()(this,this);, 这个entrypoint应该比较熟悉了，因为我们在前面提到了，在::JavaThread这个方法中传递的第一个参数，代表函数名称，线程启动的时候会调用这个函数。 如果大家还没有晕车的话，应该记得我们在jvm.cpp文件中看到的代码，在创建 native_thread=newJavaThread(&thread_entry,sz); 的时候传递了一个threadentry函数，所以我们在jvm.cpp中找到这个函数的定义如下

1. static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) {

2.  HandleMark hm(THREAD);

3.  Handle obj(THREAD, thread->threadObj());

4.  JavaValue result(T_VOID);

5.  JavaCalls::call_virtual(&result,

6.                          obj,

7.                          KlassHandle(THREAD, SystemDictionary::Thread_klass()),

8.                          vmSymbols::run_method_name(), //注意这里

9.                          vmSymbols::void_method_signature(),

10.                          THREAD);

11. }

可以看到 vmSymbols::run_method_name()这个调用，其实就是通过回调方法调用Java线程中定义的run方法， run_method_name是一个宏定义，在vmSymbols.hpp文件中可以找到如下代码

1. #define VM_SYMBOLS_DO(template, do_alias)    

2. ...

3. template(run_method_name, "run")  

4. ...

所以结论就是，Java里面创建线程之后必须要调用start方法才能真正的创建一个线程，该方法会调用虚拟机启动一个本地线程，本地线程的创建会调用当前系统创建线程的方法进行创建，并且线程被执行的时候会回调 run方法进行业务逻辑的处理

线程的终止方法及原理

线程的终止有主动和被动之分，被动表示线程出现异常退出或者run方法执行完毕，线程会自动终止。主动的方式是 Thread.stop()来实现线程的终止，但是stop()方法是一个过期的方法，官方是不建议使用，理由很简单，stop()方法在中介一个线程时不会保证线程的资源正常释放，也就是不会给线程完成资源释放工作的机会，相当于我们在linux上通过kill -9强制结束一个进程。

那么如何安全的终止一个线程呢?

我们先看一下下面的代码，代码演示了一个正确终止线程的方法，至于它的实现原理，稍后我们再分析

1. public class InterruptedDemo implements Runnable{

2.    @Override

3.    public void run() {

4.        long i=0l;

5.        while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){//notice here

6.            i++;

7.        }

8.        System.out.println("result:"+i);

9.    }

10.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

11.        InterruptedDemo interruptedDemo=new InterruptedDemo();

12.        Thread thread=new Thread(interruptedDemo);

13.        thread.start();

14.        Thread.sleep(1000);//睡眠一秒

15.        thread.interrupt();//notice here

16.    }

17. }

代码中有两处需要注意，在main线程中，调用了线程的interrupt()方法、在run方法中，while循环中通过 Thread.currentThread().isInterrupted()来判断线程中断的标识。所以我们在这里猜想一下，应该是在线程中维护了一个中断标识，通过 thread.interrupt()方法去改变了中断标识的值使得run方法中while循环的判断不成立而跳出循环，因此run方法执行完毕以后线程就终止了。

线程中断的原理分析

我们来看一下 thread.interrupt()方法做了什么事情

1. public class Thread implements Runnable {

2. ...

3.    public void interrupt() {

4.        if (this != Thread.currentThread())

5.            checkAccess();

6.        synchronized (blockerLock) {

7.            Interruptible b = blocker;

8.            if (b != null) {

9.                interrupt0();           // Just to set the interrupt flag

10.                b.interrupt(this);

11.                return;

12.            }

13.        }

14.        interrupt0();

15.    }

16. ...

这个方法里面，调用了interrupt0()，这个方法在前面分析start方法的时候见过，是一个native方法，这里就不再重复贴代码了，同样，我们找到jvm.cpp文件，找到JVM_Interrupt的定义

1. JVM_ENTRY(void, JVM_Interrupt(JNIEnv* env, jobject jthread))

2.  JVMWrapper("JVM_Interrupt");

3.  // Ensure that the C++ Thread and OSThread structures aren't freed before we operate

4.  oop java_thread = JNIHandles::resolve_non_null(jthread);

5.  MutexLockerEx ml(thread->threadObj() == java_thread ? NULL : Threads_lock);

6.  // We need to re-resolve the java_thread, since a GC might have happened during the

7.  // acquire of the lock

8.  JavaThread* thr = java_lang_Thread::thread(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));

9.  if (thr != NULL) {

10.    Thread::interrupt(thr);

11.  }

12. JVM_END

这个方法比较简单，直接调用了 Thread::interrupt(thr)这个方法，这个方法的定义在Thread.cpp文件中，代码如下

1. void Thread::interrupt(Thread* thread) {

2.  trace("interrupt", thread);

3.  debug_only(check_for_dangling_thread_pointer(thread);)

4.  os::interrupt(thread);

5. }

Thread::interrupt方法调用了os::interrupt方法，这个是调用平台的interrupt方法，这个方法的实现是在 os_*.cpp文件中，其中星号代表的是不同平台，因为jvm是跨平台的，所以对于不同的操作平台，线程的调度方式都是不一样的。我们以os_linux.cpp文件为例

1. void os::interrupt(Thread* thread) {

2.  assert(Thread::current() == thread || Threads_lock->owned_by_self(),

3.    "possibility of dangling Thread pointer");

4.  //获取本地线程对象

5.  OSThread* osthread = thread->osthread();

6.  if (!osthread->interrupted()) {//判断本地线程对象是否为中断

7.    osthread->set_interrupted(true);//设置中断状态为true

8.    // More than one thread can get here with the same value of osthread,

9.    // resulting in multiple notifications.  We do, however, want the store

10.    // to interrupted() to be visible to other threads before we execute unpark().

11.    //这里是内存屏障，这块在后续的文章中会剖析；内存屏障的目的是使得interrupted状态对其他线程立即可见

12.    OrderAccess::fence();

13.    //_SleepEvent相当于Thread.sleep，表示如果线程调用了sleep方法，则通过unpark唤醒

14.    ParkEvent * const slp = thread->_SleepEvent ;

15.    if (slp != NULL) slp->unpark() ;

16.  }

17.  // For JSR166. Unpark even if interrupt status already was set

18.  if (thread->is_Java_thread())

19.    ((JavaThread*)thread)->parker()->unpark();

20.  //_ParkEvent用于synchronized同步块和Object.wait()，这里相当于也是通过unpark进行唤醒

21.  ParkEvent * ev = thread->_ParkEvent ;

22.  if (ev != NULL) ev->unpark() ;

23. }

通过上面的代码分析可以知道，thread.interrupt()方法实际就是设置一个interrupted状态标识为true、并且通过ParkEvent的unpark方法来唤醒线程。

• 对于synchronized阻塞的线程，被唤醒以后会继续尝试获取锁，如果失败仍然可能被park

• 在调用ParkEvent的park方法之前，会先判断线程的中断状态，如果为true，会清除当前线程的中断标识

• Object.wait、Thread.sleep、Thread.join会抛出InterruptedException

这里给大家普及一个知识点，为什么Object.wait、Thread.sleep和Thread.join都会抛出InterruptedException?首先，这个异常的意思是表示一个阻塞被其他线程中断了。然后，由于线程调用了interrupt()中断方法，那么Object.wait、Thread.sleep等被阻塞的线程被唤醒以后会通过is_interrupted方法判断中断标识的状态变化，如果发现中断标识为true，则先清除中断标识，然后抛出InterruptedException

需要注意的是，InterruptedException异常的抛出并不意味着线程必须终止，而是提醒当前线程有中断的操作发生，至于接下来怎么处理取决于线程本身，比如

• 直接捕获异常不做任何处理

• 将异常往外抛出

• 停止当前线程，并打印异常信息

为了让大家能够更好的理解上面这段话，我们以Thread.sleep为例直接从jdk的源码中找到中断标识的清除以及异常抛出的方法代码

找到 is_interrupted()方法，linux平台中的实现在os_linux.cpp文件中，代码如下

1. bool os::is_interrupted(Thread* thread, bool clear_interrupted) {

2.  assert(Thread::current() == thread || Threads_lock->owned_by_self(),

3.    "possibility of dangling Thread pointer");

4.  OSThread* osthread = thread->osthread();

5.  bool interrupted = osthread->interrupted(); //获取线程的中断标识

6.  if (interrupted && clear_interrupted) {//如果中断标识为true

7.    osthread->set_interrupted(false);//设置中断标识为false

8.    // consider thread->_SleepEvent->reset() ... optional optimization

9.  }

10.  return interrupted;

11. }

找到Thread.sleep这个操作在jdk中的源码体现，怎么找?相信如果前面大家有认真看的话，应该能很快找到，代码在jvm.cpp文件中

1. JVM_ENTRY(void, JVM_Sleep(JNIEnv* env, jclass threadClass, jlong millis))

2.  JVMWrapper("JVM_Sleep");

3.  if (millis < 0) {

4.    THROW_MSG(vmSymbols::java_lang_IllegalArgumentException(), "timeout value is negative");

5.  }

6.  //判断并清除线程中断状态，如果中断状态为true,抛出中断异常

7.  if (Thread::is_interrupted (THREAD, true) && !HAS_PENDING_EXCEPTION) {

8.    THROW_MSG(vmSymbols::java_lang_InterruptedException(), "sleep interrupted");

9.  }

10.  // Save current thread state and restore it at the end of this block.

11.  // And set new thread state to SLEEPING.

12.  JavaThreadSleepState jtss(thread);

13. ...

注意上面加了中文注释的地方的代码，先判断is_interrupted的状态，然后抛出一个InterruptedException异常。到此为止，我们就已经分析清楚了中断的整个流程。

Java线程的中断标识判断

了解了thread.interrupt方法的作用以后，再回过头来看Java中 Thread.currentThread().isInterrupted()这段代码，就很好理解了。由于前者先设置了一个中断标识为true，所以 isInterrupted()这个方法的返回值为true，故而不满足while循环的判断条件导致退出循环。 这里有必要再提一句，就是这个线程中断标识有两种方式复位，第一种是前面提到过的InterruptedException；另一种是通过Thread.interrupted()对当前线程的中断标识进行复位。

转载于:https://my.oschina.net/u/862741/blog/2967265