从 JVM 视角看看 Java 守护线程

Java 多线程系列第 7 篇。

这篇我们来讲讲线程的另一个特性：守护线程 or 用户线程？

我们先来看看 Thread.setDaemon() 方法的注释，如下所示。

1. Marks this thread as either a daemon thread or a user thread.
2. The Java Virtual Machine exits when the only threads running are all daemon threads.
3. This method must be invoked before the thread is started.

里面提到了 3 点信息，一一来做下解释：

官方特性

1. 用户线程 or 守护线程？

把 Java 线程分成 2 类，一类是用户线程，也就是我们创建线程时，默认的一类线程，属性 daemon = false；另一类是守护线程，当我们设置 daemon = true 时，就是这类线程。

两者的一般关系是：用户线程就是运行在前台的线程，守护线程就是运行在后台的线程，一般情况下，守护线程是为用户线程提供一些服务。比如在 Java 中，我们常说的 GC 内存回收线程就是守护线程。

2. JVM 与用户线程共存亡

上面第二点翻译过来是：当所有用户线程都执行完，只存在守护线程在运行时，JVM 就退出。看了网上资料以及一些书籍，全都有这句话，但是也都只是有这句话，没有讲明是为啥，好像这句话就成了定理，不需要证明的样子。既然咱最近搭建了 JVM Debug 环境，那就得来查个究竟。（查得好辛苦，花了很久的时间才查出来）

我们看到 JVM 源码 thread.cpp 文件，这里是实现线程的代码。我们通过上面那句话，说明是有一个地方监测着当前非守护线程的数量，不然怎么知道现在只剩下守护线程呢？很有可能是在移除线程的方法里面，跟着这个思路，我们看看该文件的 remove() 方法。代码如下。

/**
 * 移除线程 p
 */
void Threads::remove(JavaThread* p, bool is_daemon) {

  // Reclaim the ObjectMonitors from the omInUseList and omFreeList of the moribund thread.
  ObjectSynchronizer::omFlush(p);

  /**
   * 创建一个监控锁对象 ml
   */
  // Extra scope needed for Thread_lock, so we can check
  // that we do not remove thread without safepoint code notice
  { MonitorLocker ml(Threads_lock);

    assert(ThreadsSMRSupport::get_java_thread_list()->includes(p), "p must be present");

    // Maintain fast thread list
    ThreadsSMRSupport::remove_thread(p);

    // 当前线程数减 1
    _number_of_threads--;
    if (!is_daemon) {
        /**
         * 非守护线程数量减 1
         */
      _number_of_non_daemon_threads--;

      /**
       * 当非守护线程数量为 1 时，唤醒在 destroy_vm() 方法等待的线程
       */
      // Only one thread left, do a notify on the Threads_lock so a thread waiting
      // on destroy_vm will wake up.
      if (number_of_non_daemon_threads() == 1) {
        ml.notify_all();
      }
    }
    /**
     * 移除掉线程
     */
    ThreadService::remove_thread(p, is_daemon);

    // Make sure that safepoint code disregard this thread. This is needed since
    // the thread might mess around with locks after this point. This can cause it
    // to do callbacks into the safepoint code. However, the safepoint code is not aware
    // of this thread since it is removed from the queue.
    p->set_terminated_value();
  } // unlock Threads_lock

  // Since Events::log uses a lock, we grab it outside the Threads_lock
  Events::log(p, "Thread exited: " INTPTR_FORMAT, p2i(p));
}

我在里面加了一些注释，可以发现，果然是我们想的那样，里面有记录着非守护线程的数量，而且当非守护线程为 1 时，就会唤醒在 destory_vm() 方法里面等待的线程，我们确认已经找到 JVM 在非守护线程数为 1 时会触发唤醒监控 JVM 退出的线程代码。紧接着我们看看 destory_vm() 代码，同样是在 thread.cpp 文件下。

bool Threads::destroy_vm() {
  JavaThread* thread = JavaThread::current();

#ifdef ASSERT
  _vm_complete = false;
#endif
  /**
   * 等待自己是最后一个非守护线程条件
   */
  // Wait until we are the last non-daemon thread to execute
  { MonitorLocker nu(Threads_lock);
    while (Threads::number_of_non_daemon_threads() > 1)
        /**
         * 非守护线程数大于 1，则一直等待
         */
      // This wait should make safepoint checks, wait without a timeout,
      // and wait as a suspend-equivalent condition.
      nu.wait(0, Mutex::_as_suspend_equivalent_flag);
  }

  /**
   * 下面代码是关闭 VM 的逻辑
   */
  EventShutdown e;
  if (e.should_commit()) {
    e.set_reason("No remaining non-daemon Java threads");
    e.commit();
  }
  ...... 省略余下代码
}

我们这里看到当非守护线程数量大于 1 时，就一直等待，直到剩下一个非守护线程时，就会在线程执行完后，退出 JVM。这时候又有一个点需要定位，什么时候调用 destroy_vm() 方法呢？还是通过查看代码以及注释，发现是在 main() 方法执行完成后触发的。

在 java.c 文件的 JavaMain() 方法里面，最后执行完调用了 LEAVE() 方法，该方法调用了 (*vm)->DestroyJavaVM(vm); 来触发 JVM 退出，最终调用 destroy_vm() 方法。

#define LEAVE() \
    do { \
        if ((*vm)->DetachCurrentThread(vm) != JNI_OK) { \
            JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR2); \
            ret = 1; \
        } \
        if (JNI_TRUE) { \
            (*vm)->DestroyJavaVM(vm); \
            return ret; \
        } \
    } while (JNI_FALSE)

所以我们也知道了，为啥 main 线程可以比子线程先退出？虽然 main 线程退出前调用了 destroy_vm() 方法，但是在 destroy_vm() 方法里面等待着非守护线程执行完，子线程如果是非守护线程，则 JVM 会一直等待，不会立即退出。

我们对这个点总结一下：Java 程序在 main 线程执行退出时，会触发执行 JVM 退出操作，但是 JVM 退出方法 destroy_vm() 会等待所有非守护线程都执行完，里面是用变量 number_of_non_daemon_threads 统计非守护线程的数量，这个变量在新增线程和删除线程时会做增减操作。

另外衍生一点就是：当 JVM 退出时，所有还存在的守护线程会被抛弃，既不会执行 finally 部分代码，也不会执行 stack unwound 操作（也就是也不会 catch 异常）。这个很明显，JVM 都退出了，守护线程自然退出了，当然这是守护线程的一个特性。

3. 是男是女？生下来就注定了

这个比较好理解，就是线程是用户线程还是守护线程，在线程还未启动时就得确定。在调用 start() 方法之前，还只是个对象，没有映射到 JVM 中的线程，这个时候可以修改 daemon 属性，调用 start() 方法之后，JVM 中就有一个线程映射这个线程对象，所以不能做修改了。

其他的特性

1.守护线程属性继承自父线程

这个咱就不用写代码来验证了，直接看 Thread 源代码构造方法里面就可以知道，代码如下所示。

private Thread(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
               long stackSize, AccessControlContext acc,
               boolean inheritThreadLocals) {
   ...省略一堆代码
    this.daemon = parent.isDaemon();
   ...省略一堆代码
}

2.守护线程优先级比用户线程低

看到很多书籍和资料都这么说，我也很怀疑。所以写了下面代码来测试是不是守护线程优先级比用户线程低？

public class TestDaemon {
    static AtomicLong daemonTimes = new AtomicLong(0);
    static AtomicLong userTimes = new AtomicLong(0);

    public static void main(String[] args) {
        int count = 2000;
        List threads = new ArrayList<>(count);
        for (int i = 0; i < count; i ++) {
            MyThread userThread = new MyThread();
            userThread.setDaemon(false);
            threads.add(userThread);

            MyThread daemonThread = new MyThread();
            daemonThread.setDaemon(true);
            threads.add(daemonThread);
        }

        for (int i = 0; i < count; i++) {
            threads.get(i).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("daemon 统计：" + daemonTimes.get());
        System.out.println("user 统计：" + userTimes.get());
        System.out.println("daemon 和 user 相差时间：" + (daemonTimes.get() - userTimes.get()) + "ms");

    }

    static class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            if (this.isDaemon()) {
                daemonTimes.getAndAdd(System.currentTimeMillis());
            } else {
                userTimes.getAndAdd(System.currentTimeMillis());
            }
        }
    }
}

运行结果如下。

结果1：
daemon 统计：1570785465411405
user 统计：1570785465411570
daemon 和 user 相差时间：-165ms

结果2：
daemon 统计：1570786615081403
user 统计：1570786615081398
daemon 和 user 相差时间：5ms

是不是很惊讶，居然相差无几，但是这个案例我也不能下定义说：守护线程和用户线程优先级是一样的。看了 JVM 代码也没找到守护线程优先级比用户线程低，这个点还是保持怀疑，有了解的朋友可以留言说一些，互相交流学习。

总结

总结一下这篇文章讲解的点，一个是线程被分为 2 种类型，一种是用户线程，另一种是守护线程；如果要把线程设置为守护线程，需要在线程调用start()方法前设置 daemon 属性；还有从 JVM 源码角度分析为什么当用户线程都执行完的时候，JVM 会自动退出。接着讲解了守护线程有继承性，父线程是守护线程，那么子线程默认就是守护线程；另外对一些书籍和资料所说的 守护线程优先级比用户线程低 提出自己的疑问，并希望有了解的朋友能帮忙解答。

如果觉得这篇文章看了有收获，麻烦点个在看，支持一下，原创不易。

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