面试官：Java 线程如何启动的？

作者：华为云开发者社区

2021 年 12 月 01 日
本文字数：5885 字
阅读完需：约 19 分钟

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();

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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：

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) {}    }}

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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。

Causesthis thread to begin execution; the Java Virtual Machine calls the run methodof 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 start0private 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();    }    // ...}

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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},};

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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

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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);}

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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")

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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);

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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);}

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hreadFunctionentry_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：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/linux/vm/os_linux.cpp
os_windows.cpp：https://github.com/JetBrains/jdk8u_hotspot/blob/master/src/os/windows/vm/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;}

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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;}

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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

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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);  }}

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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);}

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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();}

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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 threadvoid JavaThread::run() {  // ... 初始化线程操作    thread_main_inner();}

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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;}

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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。

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发布于: 3 小时前阅读数: 10

原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/53f2587ae38fd991df8f96e7f】。文章转载请联系作者。

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面试官：Java 线程如何启动的？

一、线程启动分析

二、线程启动过程

1. Thread start UML 图

2. Java 层面 Thread 启动

2.1 start() 方法

2.2 start0() 本地方法

3. JVM 创建线程

3.1 JVM_StartThread

3.2 JavaThread

3.3 os::create_thread

3.4 java_start

4. JVM 启动线程

4.1 Thread::start

4.2 os::start_thread(thread)

4.3 pd_start_thread(thread)

5. JVM 线程回调

5.1 thread->run()[JavaThread::run()]

5.2 thread_main_inner

三、总结

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