教小师妹学多线程,一个有深度的例子!


作者:小傅哥
博客:https://bugstack.cn

沉淀、分享、成长,让自己和他人都能有所收获!😄

一、前言

对于在校学习期间的计算机、软件工程的学生来说,只要学到 Java 多线程,就开始犯迷糊了!

刚知道咋打开 IDEA,费劲扒拉的写个 HelloWorld,就要上手搞多线程绝对是史诗级理解难度。这东西怎么跑起来的怎么还有一个run方法各种状态是啥意思还要休眠睡一会,纳尼?

以我的学习经历来说,一个知识点是否能快速接受并学习到,往往是看有没有一个合适的场景和好的例子,来引导读者学习到这样的技术,就像;

  • Git:上厕所不叫上厕所,叫拉分支!
  • Socket:厕所就是服务器,坑就是端口!
  • 队列:上厕所🚽叫入队列,先进先出!
  • :去厨房🥣叫进栈,后进先出!
  • 架构:三居的格局叫MVC,四居的格局叫DDD!
  • 理论:系统结构设计定的好,有点bug没问题,能改。这就是茅坑跟坐便的区别。

除了有点味道以外,这回是不记住了,我们编程写代码的过程和我们日常生活的例子,往往都是这样可以对应上,有了真实可以触及的实物,再去了解编程就会更加容易,也很难忘记。

二、给小师妹一个脸红的多线程

一个最开始接触多线程知识的未来500强工程师,也可能需要翻很多次书、写很多例子、敲很多代码,才能大概理解个7788,不是这知识有多难,主要是例子不好,不进脑子。

那么,接下来我们模拟鹿鼎记·丽春院,清倌喝茶吟诗聊风月日常。当有达官贵人来时,需要分配清倌给大老爷。中间会有一些等待、叫醒操作。只为让你更好的记住这样的案例,不要想歪喽。清倌人即是只卖艺欢场人,喊麦的。

1. wait & notify 等待和叫醒

案例代码

public class 丽春院 {

    public static void main(String[] args) {
        老鸨 鸨子 = new 老鸨();

        清倌 miss = new 清倌(鸨子);
        客官 guest = new 客官(鸨子);

        Thread t_miss = new Thread(miss);
        Thread t_guest = new Thread(guest);

        t_miss.start();
        t_guest.start();
    }

}

class 清倌 implements Runnable {

    老鸨 鸨子;

    public 清倌(老鸨 鸨子) {
        this.鸨子 = 鸨子;
    }

    @Override
    public void run() {
        int i = 1;
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e1) {
                e1.printStackTrace();
            }
            if (i == 1) {
                try {
                    鸨子.在岗清倌("苍田野子", "500 日元");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } else {
                try {
                    鸨子.在岗清倌("花田岗子", "800 日元");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            i = (i + 1) % 2;
        }
    }

}

class 客官 implements Runnable {

    老鸨 鸨子;

    public 客官(老鸨 鸨子) {
        this.鸨子 = 鸨子;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e1) {
                e1.printStackTrace();
            }
            try {
                鸨子.喝茶吟诗聊风月();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

class 老鸨 {

    private String 清倌 = null;
    private String price = null;
    private boolean 工作状态 = true;

    public synchronized void 在岗清倌(String 清倌, String price) throws InterruptedException {
        if (!工作状态)
            wait();//等待
        this.清倌 = 清倌;
        this.price = price;
        工作状态 = false;
        notify();//叫醒
    }

    public synchronized void 喝茶吟诗聊风月() throws InterruptedException {
        if (工作状态)
            wait();//等待
        System.out.println("聊风月:" + 清倌);
        System.out.println("茶水费:" + price);
        System.out.println("  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + 清倌 + "完事" + "准备 ... ...");
        System.out.println("****************************************");
        工作状态 = true;
        notify();//叫醒
    }

}

测试结果

聊风月:苍田野子
茶水费:500 日元
                    苍田野子完事准备 ... ...
****************************************
聊风月:花田岗子
茶水费:800 日元
                    花田岗子完事准备 ... ...
****************************************
聊风月:苍田野子
茶水费:500 日元
                    苍田野子完事准备 ... ...
****************************************

...
  • 小师妹,说看完例子就懂了!
  • 首先这样的例子它贴近于电视剧、影视作品中经常出现的场景。把生活与技术结合后,你会发现原本不好理解的技术点就好理解了!
  • wait 和 notify/nofityall,是一对方法,有一个等待,就会有一个叫醒,否则程序就夯在那不动了。关于这部分会使用到的 synchronized 在之前小傅哥有深入的源码分析,讲到它是怎么加锁在对象头的,如果你忘记了可以翻翻看 《synchronized 解毒,剖析源码深度分析!》
  • 了解了基础的例子,接下来在深入学习线程中的各项技术点,就比较容易在头脑中带着场景去验证和学习了。

2. yield

yield 方法让出CPU,但不一定,一定让出!。这种可能会用在一些同时启动的线程中,按照优先级保证重要线程的执行,也可以是其他一些特殊的业务场景(例如这个线程内容很耗时,又不那么重要,可以放在后面)。

为了验证这个方法,我们做一个例子:启动50个线程进行,每个线程都进行1000次的加和计算。其中10个线程会执行让出CPU操作。那么,如果让出CPU那10个线程的计算加和时间都比较长,说明确实在进行让出操作。

案例代码

private static volatile Map<String, AtomicInteger> count = new ConcurrentHashMap<>();
static class Y implements Runnable {
    private String name;
    private boolean isYield;
    public Y(String name, boolean isYield) {
        this.name = name;
        this.isYield = isYield;
    }
    @Override
    public void run() {
        long l = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            if (isYield) Thread.yield();
            AtomicInteger atomicInteger = count.get(name);
            if (null == atomicInteger) {
                count.put(name, new AtomicInteger(1));
                continue;
            }
            atomicInteger.addAndGet(1);
            count.put(name, atomicInteger);
        }
        System.out.println("线程编号:" + name + " 执行完成耗时:" + (System.currentTimeMillis() - l) + " (毫秒)" + (isYield ? "让出CPU----------------------" : "不让CPU"));
    }
}

public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        if (i < 10) {
            new Thread(new Y(String.valueOf(i), true)).start();
            continue;
        }
        new Thread(new Y(String.valueOf(i), false)).start();
    }
}

测试结果

线程编号:10 执行完成耗时:2 (毫秒)不让CPU
线程编号:11 执行完成耗时:2 (毫秒)不让CPU
线程编号:15 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:14 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:19 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:18 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:22 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:26 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:27 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:30 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:42 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:45 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:43 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:46 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:47 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:35 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:33 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:32 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:41 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:48 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:6 执行完成耗时:15 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:7 执行完成耗时:15 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:49 执行完成耗时:2 (毫秒)不让CPU
线程编号:29 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:2 执行完成耗时:17 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:1 执行完成耗时:11 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:4 执行完成耗时:15 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:8 执行完成耗时:12 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:5 执行完成耗时:12 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:9 执行完成耗时:12 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:0 执行完成耗时:21 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:3 执行完成耗时:21 (毫秒)让出CPU----------------------
  • 从测试结果可以看到,那些让出 CPU 的,执行完计算已经在10毫秒以上,说明我们的测试是效果的。

3. join

join 是两个线程的合并吗?不是的!

join 是让线程进入 wait ,当线程执行完毕后,会在JVM源码中找到,它执行完毕后,其实执行notify,也就是 等待叫醒 操作。

源码jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp

void JavaThread::exit(bool destroy_vm, ExitType exit_type) {
	// Notify waiters on thread object. This has to be done after exit() is called
	// on the thread (if the thread is the last thread in a daemon ThreadGroup the
	// group should have the destroyed bit set before waiters are notified).
	ensure_join(this);
}
static void ensure_join(JavaThread* thread) {
  // 叫醒
  java_lang_Thread::set_thread(threadObj(), NULL);
  lock.notify_all(thread);
}

好的,就是这里!lock.notify_all(thread),执行到这,就对上了。

案例代码

Thread thread = new Thread(() -> {
    System.out.println("thread before");
    try {
        Thread.sleep(3000);
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("thread after");
});
thread.start();
System.out.println("main begin!");
thread.join();
System.out.println("main end!");

测试结果

main begin!
thread before
thread after
main end!

Process finished with exit code 0

首先join() 是一个synchronized方法, 里面调用了wait(),这个过程的目的是让持有这个同步锁的线程进入等待,那么谁持有了这个同步锁呢?答案是主线程,因为主线程调用了threadA.join()方法,相当于在threadA.join()代码这块写了一个同步代码块,谁去执行了这段代码呢,是主线程,所以主线程被wait()了。然后在子线程threadA执行完毕之后,JVM会调用lock.notify_all(thread);唤醒持有threadA这个对象锁的线程,也就是主线程,会继续执行。

  • 这部分验证的主要体现就是加了 thread.join() 后,会影响到输出结果。如果不加,main end! 会优先 thread after 提前打印出来。
  • join() 是一个 synchronized 方法,里面调用了 wait() 方法,让持有当前同步锁的线程进入等待状态,也就是主线程。当子线程执行完毕后,我们从源码中可以看到 JVM 调用了 lock.notify_all(thread) 所以唤醒了主线程继续执行。

三、线程启动过程

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。

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。

1. Thread start UML 图

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.chttps://github.com/unofficial-openjdk/openjdk/blob/jdk/jdk/src/java.base/share/native/libjava/Thread.c
  2. jvm.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/prims/jvm.cpp
  3. thread.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp
  4. os.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/os.hpp
  5. os_linux.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/linux/vm/os_linux.cpp
  6. os_windows.cpphttps://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/windows/vm/os_windows.cpp
  7. vmSymbols.hpphttps://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 <clinit> 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:start0isAliveyieldsleepinterrupt0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},
};

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

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 RUNNABLE
  • pd_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!

四、Thread 状态关系

Java 的线程状态描述在枚举类 java.lang.Thread.State 中,共包括如下五种状态:

public enum State {
    NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED;
}

这五种状态描述了一个线程的生命周期,其实这种状态码的定义在我们日常的业务开发中,也经常出现。比如:一个活动的提交、审核、拒绝、修改、通过、运行、关闭等,是类似的。那么线程的状态是通过下图的方式进行流转的,如图 20-1

图 20-1 线程状态流转

  • New:新创建的一个线程,处于等待状态。
  • Runnable:可运行状态,并不是已经运行,具体的线程调度各操作系统决定。在 Runnable 中包含了 ReadyRunning 两个状态,当线程调用了 start() 方法后,线程则处于就绪 Ready 状态,等待操作系统分配 CPU 时间片,分配后则进入 Running 运行状态。此外当调用 yield() 方法后,只是谦让的允许当前线程让出CPU,但具体让不让不一定,由操作系统决定。如果让了,那么当前线程则会处于 Ready 状态继续竞争CPU,直至执行。
  • Timed_waiting:指定时间内让出CPU资源,此时线程不会被执行,也不会被系统调度,直到等待时间到期后才会被执行。下列方法都可以触发:Thread.sleepObject.waitThread.joinLockSupport.parkNanosLockSupport.parkUntil
  • Wating:可被唤醒的等待状态,此时线程不会被执行也不会被系统调度。此状态可以通过 synchronized 获得锁,调用 wait 方法进入等待状态。最后通过 notify、notifyall 唤醒。下列方法都可以触发:Object.waitThread.joinLockSupport.park
  • Blocked:当发生锁竞争状态下,没有获得锁的线程会处于挂起状态。例如 synchronized 锁,先获得的先执行,没有获得的进入阻塞状态。
  • Terminated:这个是终止状态,从 New 到 Terminated 是不可逆的。一般是程序流程正常结束或者发生了异常。

这里参考枚举State 类的英文注释了解了每一个状态码的含义,接下来我们去尝试操作线程方法,把这些状态体现出来。

1. NEW

Thread thread = new Thread(() -> {
});
System.out.println(thread.getState());

// NEW
  • 这个状态很简单,就是线程创建还没有启动时就是这个状态。

2. RUNNABLE

Thread thread = new Thread(() -> {
});
// 启动
thread.start();
System.out.println(thread.getState());

// RUNNABLE
  • 创建的线程启动后 start(),就会进入 RUNNABLE 状态。但此时并不一定在执行,而是说这个线程已经就绪,可以竞争 CPU 资源。

3. BLOCKED

Object obj = new Object();
new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}).start();

Thread thread = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        try {
            obj.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});

thread.start();
while (true) {
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(thread.getState());
}

// BLOCKED
// BLOCKED
// BLOCKED
  • 这段代码稍微有点长,主要是为了让两个线程发生锁竞争。
  • 第一个线程,synchronized 获取锁后休眠,不释放锁。
  • 第二个线程,synchronized 获取不到锁,会被挂起。
  • 那么最后的输出结果就会是,BLOCKED

4. WAITING

Object obj = new Object();
Thread thread = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        try {
            obj.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});

thread.start();

while (true) {
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(thread.getState());
}

// WAITING
// WAITING
// WAITING
  • 只要在 synchronized 代码块或者修饰的方法中,调用 wait 方法,又没有被 notify 就会进入 WAITING 状态。
  • 另外 Thread.join 源码中也是调用的 wait 方法,所以也会让线程进入等待状态。

5. TIMED_WAITING

Object obj = new Object();
Thread thread = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        try {
            Thread.sleep(100000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
thread.start();

while (true) {
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(thread.getState());
}

// TIMED_WAITING
// TIMED_WAITING
// TIMED_WAITING
  • 有了上面状态获取的对比,这个状态的获取就没什么难度了。只要改成 Thread.sleep(100000); 就可以了。

6. TERMINATED

Thread thread = new Thread(() -> {
});
thread.start();

System.out.println(thread.getState());
System.out.println(thread.getState());
System.out.println(thread.getState());

// RUNNABLE
// TERMINATED
// TERMINATED
  • 这个就比较简单了,只要一个线程运行完,它的生命周期结束了,就进入了 TERMINATED 状态。

五、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
  • 线程状态和状态的转换也是面试中必问的问题,但除了面试是我们自己在开发中,如果真的使用线程,是非常有必要了解线程状态是如何转换的。
  • 线程的一些深入学习都是在调用本地方法,也就是需要了解到JVM层面,才能更加深刻的见到c++代码是如何实现这部分逻辑的。

六、系列推荐

posted @ 2021-03-26 10:23  小傅哥  阅读(385)  评论(0编辑  收藏