JVM源码剖析之线程的创建过程

说在前面：

对于Java线程的创建这个话题，似乎已经被"八股文"带偏～ 大部分Java程序员从"八股文"得知创建Java线程有N种方式，比如new Thread、new Runnable、Callable、线程池等等～ 而笔者写下这篇文章的目的是让大家从JVM源码的层面知道创建一个Java线程的方式。

版本信息：
jdk版本：jdk8u40

源码剖析：

public
class Thread implements Runnable {}

从Thread类的继承关系来看，Thread类实现Runnable接口，不少读者可能不明白为什么需要实现Runnable接口，也不明白Thread和Runnable之间的关系，那么笔者不妨以自己见解解释一番～

Thread：Java层面开发者使用的类，开发者可以使用它创建、启动、关闭线程等等操作

Runnable：一个函数式接口，无返回值、无入参，用于回调，其中编写开发者的回调逻辑（逻辑入口）

Callable：一个函数式接口，有返回值、无入参，用于回调，其中编写开发者的回调逻辑（逻辑入口）

所以Thread和Runnable之间的关系一目了然，一个是Java线程的API集合，一个是定义了逻辑入口的接口

为什么Thread需要实现Runnable，因为当线程启动后，Thread需要帮开发者自动执行线程执行体，所以需要一个执行入口方法，刚好Runnable接口就提供了此入口～

接下来看一下Thread的构造方法。

public Thread(Runnable target) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
 
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize) {
        init(g, target, name, stackSize, null, true);
    }
 
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException("name cannot be null");
        }
 
        this.name = name;
 
        Thread parent = currentThread();
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (g == null) {
 
            if (security != null) {
                g = security.getThreadGroup();
            }
            if (g == null) {
                g = parent.getThreadGroup();
            }
        }
 
        g.checkAccess();
 
        if (security != null) {
            if (isCCLOverridden(getClass())) {
                security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
            }
        }
 
        g.addUnstarted();
 
        this.group = g;
        this.daemon = parent.isDaemon();
        this.priority = parent.getPriority();
        if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
            this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
        else
            this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
        this.inheritedAccessControlContext =
                acc != null ? acc : AccessController.getContext();
        this.target = target;
        setPriority(priority);
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
 
        this.stackSize = stackSize;
        tid = nextThreadID();
    }

构造方法虽然比较长，但是都是对当前线程的属性赋值，并没有其他任何操作，所以笔者连注释都没有写。

写到这里，我们需要理解一个点，Java是没有能力创建底层的线程，这个需要交给JVM来创建，而这里new Thread创建的仅仅是Java层面表示的线程对象～

而JVM来创建线程，所以需要Java层面调用native方法，所以我们看到Thread中start方法。

public synchronized void start() {
		// 此线程的状态如果不是创建状态就直接抛出非法逻辑异常。
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();
 
        // 添加到对应的线程组中。
        group.add(this);
 
        boolean started = false;
        try {
        	// Native方法，此方法会创建底层的线程，并且启动线程，并且执行线程的执行体（Runnable的run方法）
            start0();
            started = true;		// 正常启动完毕。
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
 
            }
        }
    }
 
private native void start0();

start方法会去底层创建线程，并且启动线程，执行线程的执行体 ，所以需要看到start0这个native方法的实现，所以下面是C/C++的代码～

{"start0",           "()V",        (void *)&JVM_StartThread}
 
JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
  JVMWrapper("JVM_StartThread");
  JavaThread *native_thread = NULL;
 
  bool throw_illegal_thread_state = false;
 
  {
    MutexLocker mu(Threads_lock);
 
    // 获取到Java开发者设置的栈大小，这个参数一般不会设置
    jlong size =
             java_lang_Thread::stackSize(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));
 
    size_t sz = size > 0 ? (size_t) size : 0;
 
    // 创建底层的线程。
    // 当创建好线程后，会回调thread_entry此方法。
    native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
 
    if (native_thread->osthread() != NULL) {
      // 初始化线程，比如是否是守护线程，线程优先级。以及线程数量的统计。
      native_thread->prepare(jthread);
    }
  }
 
  // 设置成运行中状态
  Thread::start(native_thread);
 
JVM_END

因为JVM是c/c++编写，而c++是有面向对象的思想存在，所以在new JavaThread中，会执行构造方法，我们看到构造方法。

JavaThread::JavaThread(ThreadFunction entry_point, size_t stack_sz) :
  Thread()	// 调用父类构造方法
{
	// 初始化参数
  initialize();
  _jni_attach_state = _not_attaching_via_jni;
  // 设置执行入口，当底层线程创建好以后，会去回调此方法
  set_entry_point(entry_point);		
 
  // 设置此线程的类型，当前线程是java_thread类型
  os::ThreadType thr_type = os::java_thread;
  thr_type = entry_point == &compiler_thread_entry ? os::compiler_thread :
                                                     os::java_thread;
  // 真正的线程只有操作系统才有权利去创建，所以这里调用操作系统类库去创建。
  os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);
  _safepoint_visible = false;
 
}
 
bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type, size_t stack_size) {
  assert(thread->osthread() == NULL, "caller responsible");
 
  OSThread* osthread = new OSThread(NULL, NULL);
 
  osthread->set_thread_type(thr_type);
 
  osthread->set_state(ALLOCATED);
 
  thread->set_osthread(osthread);
 
  pthread_attr_t attr;
  pthread_attr_init(&attr);
  pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
 
 
 	…………	// 省略一部分设置参数代码
 
  // glibc guard page
  pthread_attr_setguardsize(&attr, os::Linux::default_guard_size(thr_type));
 
  ThreadState state;
 
  {
 
    pthread_t tid;
    // java_start 作为统一的入口，后续再根据thread类型做分发（多态）。
    int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) java_start, thread);
 
    pthread_attr_destroy(&attr);
 
    osthread->set_pthread_id(tid);
 
    // Wait until child thread is either initialized or aborted
    {
      Monitor* sync_with_child = osthread->startThread_lock();
      MutexLockerEx ml(sync_with_child, Mutex::_no_safepoint_check_flag);
      while ((state = osthread->get_state()) == ALLOCATED) {
        sync_with_child->wait(Mutex::_no_safepoint_check_flag);
      }
    }
 
    if (lock) {
      os::Linux::createThread_lock()->unlock();
    }
  }
 
  return true;
}

因为JVM是帮Java开发者实现了跨平台机制，所以需要适配所有OS平台，而我们只关心Linux操作系统，而Linux操作系统使用的是POSIX的线程标准，实现者肯定是Glibc类库，实现就是PThread线程库，而这里也是调用了pthread_create库函数创建了底层的线程（这里不懂没关系，只需要明白会去操作系统创建线程），并且设置线程的执行入口是java_start方法。

// pthread线程回调执行点。
static void *java_start(Thread *thread) {
  
  …………  // 省略大部分的设置参数和状态值的代码，方便观看核心源码
 
  // 这里是区分JVM层面抽象的不同线程的不同执行点（多态）
  // 而这里thread对象是JavaThread
  thread->run();
 
  return 0;
}
 
void JavaThread::run() {
  
  ………… // 省略大部分的设置参数和状态值的代码，方便观看核心源码
 
  // 执行设置的入口
  thread_main_inner();
}

这里是pthread线程启动后回调的方法，这里会回调JavaThread的thread_main_inner方法。这里如果能看懂C++的读者会发现，这里使用多态思想非常完美～

void JavaThread::thread_main_inner() {
 
	// 不存在异常
  if (!this->has_pending_exception() &&
      !java_lang_Thread::is_stillborn(this->threadObj())) {
 
    HandleMark hm(this);
    // 回调设置的入口
    this->entry_point()(this, this);
  }
 
  DTRACE_THREAD_PROBE(stop, this);
 
  // 执行到这里代表线程执行结束了，需要做释放工作。
  this->exit(false);
  delete this;
}

 经过一系列的回调，最终来到thread_entry方法。

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);
}

这里非常的简单，在JVM层面调用Java的方法，而这里调用的就是Thread类中run方法（也即调用Runnable接口的run方法）

@Override
public void run() {
    // target参数往往是开发者传入的Runnable接口的实现类。
    if (target != null) {
        target.run();        // 调用开发者的逻辑
    }
}

上面的流程对于不懂JVM源码和不懂C++语言的读者来说非常吃力，甚至看不懂，这也很正常，源码层面是这样。但是读者会给你们做一个总结：

1. 在Java层面调用Thread类的start方法
2. start方法是一个native方法，会在c++层面创建JavaThread对象（因为c++也是面向对象）
3. 在JavaThread的构造方法中会去创建OsThread对象（因为JVM是跨平台，存在很多个操作系统平台，所以需要一个OsThread做高度抽象）
4. 在Linux操作系统平台中会去创建pthread线程（此线程可以理解为就是操作系统层面的线程）
5. 创建完pthread线程后会经过一层一层的回调方法，最终回调thread_entry方法
6. thread_entry方法中，会从JVM层面调用Java层面的方法，而调用的方法是Thread类中run方法，而Thread类是实现Runnable接口，所以也证明了文章开头说的Runnable 接口是作为一个执行入口
7. 在Thread的run方法中，会去执行用户传入的Runnable接口，或者开发者重写了Thread的run方法。总之，这里就是回调开发者的逻辑。
8. 所以Java的Thread创建入口就只有一个，就是Java的Thread类的start方法。

线程的关系图如上所述。

其实，你会发现，没有什么是中间抽一层不能解决的，每一层有每一层的职责，但是往往抽一层就需要有中间层的表示状态～

总结：

因为是深入到JVM源码层面，所以部分代码很多读者看不懂。但是代码是科学，他并不是神学，要论证真实性，必须要深入到源码层面。