摘要：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？
本文分享自华为云社区《Thread.start() ，工作这么久，还不知道它是怎么让线程跑起来的！》，作者：小傅哥。
面试官：我考你个题，看看你进大厂的几率大不。嗯... Java 线程如何启动的？
谢飞机：如何启动的？start 启动的！
面试官：还有吗？
谢飞机：嗯…，没了！
面试官：嗯，可能会与不会这一个题并不会让你代码有多牛、有多好，但是你的技术栈深度和广度，决定你的编程职业生涯是否有一条康庄大道。还是要多努力！
一、线程启动分析
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。
![]()
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。
二、线程启动过程
1. 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：
- Thread.c
- jvm.cpp
- thread.cpp
- os.cpp
- os_linux.cpp
- os_windows.cpp
- 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：start0、isAlive、yield、sleep、interrupt0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},
};
- 从定义中可以看到，start0 方法会执行 &JVM_StartThread 方法，最终由 JVM 层面启动线程。
3. JVM 创建线程
3.1 JVM_StartThread
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和启动线程，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：
#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。
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：
- os_linux.cpp：
- os_windows.cpp：
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
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
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)
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)
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()]
// 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
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！
三、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。
点击关注，第一时间了解华为云新鲜技术~
