并发系列一：初识java线程与os的关系，模拟java调用os函数创建线程

前言

• 并发，这是一个值得深思的话题。它似无形却有形。我们平常的工作都是面向业务编程，CRUD居多，基本上与并发没什么交集。ok，并发是一个广泛的概念。那么咱们来聊聊多线程(java 多线程)。这里咱们来思考下问题：为什么要使用多线程？俗话说，一方有难八方支援。在今年的疫情初期，武汉的疫情非常严峻，如果仅靠武汉的白衣天使来医治病患，这无疑是一个长征项目，这就等同于单线程在干活。于是一批批来自于五湖四海的白衣天使前往武汉进行支援(点赞！)，此时就是多线程在协同工作。是的，你没想错，使用多线程的就是为了加快程序运行速度。换句话来说，就是提高cpu利用率。如果把国家的每个行政区比作cpu的一个核，那么咱们国家就是一个34核的cpu。试问下，一个核和34个核的处理速度，这不用我说，大家都懂吧！
• 上述的描述，可以得出一个结论：java线程与操作系统是等价的。接下来，咱们来证明下此结论

一、证明java线程等价于os的线程

• 为了能正常的看出效果，我选择window系统的任务管理器来证明这个结论

• 编写如下代码(InitThread.java)：

  public class InitThread {
  
      public static void main(String[] args) {
          for (int i = 0; i < 100; i++) {
              new Thread(() -> {
                  try {
                      Thread.sleep(100000);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
              }).start();
          }
      }
  }

• 执行代码之前，打开任务管理器，并查看线程数，如下图所示：
  
• 运行上述java类，然后再次查看任务管理器
  
• 综上，可以看出，我们使用java创建出一个线程与os中创建出一个线程是对等的。因此可以判断，java创建线程时与os函数进行了交互。于是，我们来看下Thread类的start方法

• java.lang.Thread#start

  // 上面部分代码省略
  boolean started = false;
      try {
          // 调用了此方法开启了线程
          start0();
          started = true;
      } finally {
          // finally部分代码省略
      }

• java.lang.Thread#start0

  // start0方法时一个native方法
  private native void start0();

• 可以看到java调用Thread的start方法启动一个线程时，最终会调用到start0方法。而start0是native方法，何为native方法？什么是native方法呢？为了解释native方法，这里要描述下java的发展历史，很久很久以前，c语言很流行，所有的程序基本上都是c写的。在1995年，Java诞生了，它以不需要手动释放内存的特性深受程序员欢迎，java的开发团队为了解决java与c的通讯问题，所以使用c/c++写出了jvm。jvm在java中起到了非常大的作用，包括垃圾回收器、java与os的交互、与c语言的交互等等。native方法就是对应的一个c语言文件后java在调用它时是通过jvm来交互的

二、使用自定义native方法开启一个线程

2.1 使用os函数开启一个线程

• ps：此时我选择的os为centos7 64位的os(拥有c语言编译环境)

• 第一步：查看os创建线程的api

  #1. 安装man命令 => 为了查看函数信息
  yum install man-pages
  
  #2. 执行如下命令查看os创建线程api，具体内容查看下图
  man pthread_create

  ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200527104128968.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2F2ZW5nZXJFdWc=,size_16,color_FFFFFF,t_70)

• 第二步：使用os的api(pthread_create)创建一个线程

  >    1.撰写myThread.c文件
  ```c
  #include "pthread.h" //头文件，在pthread_create方法中有明确写到
  #include "stdio.h"
  
  pthread_t pid; // 定义一个变量，用来存储生成的线程id, 在pthread_create方法中也有介绍
  
  /**
   * 定义主体函数
   */
  void* run(void* arg) {
      while(1) {
         printf("\n Execting run function \n");
         printf(arg);
         sleep(1);
      }
  }
  
  /**
   *  若要编译成可执行文件，则需要写main方法
   */
  int main() {
      pthread_create(&pid, NULL, run, "123"); // 调用os创建线程api
      while(1) { // 这里必须要写个死循环，因为c程序在main方法执行结束后，它内部开的子线程也会关掉
      }
  }
  ```
  > 2.编译c文件成可执行命令
  ```shell
  # -pthread参数表示把pthread类库也添加到编译范围
  gcc -o myThread myThread.c -pthread
  ```
  

• 第三步：运行并查看结果

  > 运行编译后的c文件
  ```shell
  ./myThread
  ```
   运行结果：
   ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200527104724639.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2F2ZW5nZXJFdWc=,size_16,color_FFFFFF,t_70)
   综上，咱们已经使用os函数启动了一个线程

  2.2 使用java调用自定义的native方法启动线程

• 第一步：创建ExecMyNativeMethod.java类(不用指定在哪个包下，因为最终要把它放在linux中去执行)

  public class ExecMyNativeMethod {
  
      /**
       * 加载本地方法类库，注意这个名字，后面会用到
       */
      static {
          System.loadLibrary("MyNative");
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          ExecMyNativeMethod execMyNativeMethod = new ExecMyNativeMethod();
          execMyNativeMethod.start0();
      }
  
      private native void start0();
  }

• 第二步：将java类编译成class文件

  javac ExecMyNativeMethod.java

• 第三步：将class文件转成c语言头文件

  javah ExecMyNativeMethod

• 第四步：查看编译后的头文件

  /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
  #include 
  /* Header for class ExecMyNativeMethod */
  
  #ifndef _Included_ExecMyNativeMethod
  #define _Included_ExecMyNativeMethod
  #ifdef __cplusplus
  extern "C" {
  #endif
  /*
   * Class:     ExecMyNativeMethod
   * Method:    start0
   * Signature: ()V
   */
  JNIEXPORT void JNICALL Java_ExecMyNativeMethod_start0
    (JNIEnv *, jobject);
  
  #ifdef __cplusplus
  }
  #endif
  #endif

  对于上述内容，我们只需要关注我们定义的native方法(`JNIEXPORT void JNICALL Java_ExecMyNativeMethod_start0

  (JNIEnv , jobject);)即可，也就是说native方法转成c语言头文件后会变成JNIEXPORT void JNICALL Java_类名_native方法名 (JNIEnv , jobject);`的格式

• 第五步：更新我们刚刚编写的myThread.c文件，为了不造成影响，我们使用cp命令创建出一个新的c文件myThreadNew.c

  cp myThread.c myThreadNew.c

• 第六步：修改myThreadNew.c文件为如下内容

  #include "pthread.h" // 引用线程的头文件，在pthread_create方法中有明确写到
  #include "stdio.h"
  #include "ExecMyNativeMethod.h" // 将自定义的头文件导入
  
  pthread_t pid; // 定义一个变量，用来存储生成的线程id, 在pthread_create方法中也有介绍
  
  /**
   * 定义主体函数
   */
  void* run(void* arg) {
      while(1) {
         printf("\n Execting run function \n");
         printf(arg);
         sleep(1);
      }
  }
  
  /**
   * 此方法就是后面java要调用到的native方法
   */
  JNIEXPORT void JNICALL Java_ExecMyNativeMethod_start0(JNIEnv *env, jobject c1) {
      pthread_create(&pid, NULL, run, "Creating thread from java application"); // 调用os创建线程api
      while(1) {} // 死循环等待
  }
  
  /**
   * 每个要执行的c文件都要写main方法，
   * 如果要编译成动态链接库，则不需要
   */
  int main() {
      return 0;
  }

• 第七步：执行如下命令将myThreadNew.c文件编译成动态链接库，并添加到环境变量中(否则在启动java类的main方法时，在静态代码块中找不到myNative类库)

  # 1. 编译成动态链接库
  # 说明下-I后面的参数: 分别指定jdk安装目录的include文件夹和include/linux文件夹
  # 因为我在环境变量中配置了JAVA_HOME，所以我直接$JAVA_HOME了
  # 后面的libMyNative.so文件，它的格式为lib{xxx}.so
  # 其中{xxx}为类中System.loadLibrary("yyyy")代码中yyyy的值
  gcc -I $JAVA_HOME/include -I $JAVA_HOME/include/linux -fPIC -shared -o libMyNative.so myThreadNew.c
  
  # 2. 将此动态链接库添加到环境变量中
  # 格式: export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:{libxxxx.so}
  # 其中{libxxxxNative.so}为动态链接库的路径, 
  # 我的libMyNative.so文件在/root/workspace文件夹下
  export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/root/workspace/libMyNative.so

• 第八步：执行如下命令启动java程序

  java ExecMyNativeMethod

• 查看运行结果
  
  综上，我们仅仅是使用java调用了自己编写的native方法启动了线程。如果我们要和java一样，自己写一个run方法，然后启动线程时，来调用这个run方法的话，要怎么实现呢？别急，往下看！

2.3 native方法回调java方法

• 第一步：优化我们的ExecMyNativeMethod.java类，新增run方法，具体如下：

  public class ExecMyNativeMethod {
  
      /**
       * 加载本地方法类库，注意这个名字，后面会用到
       */
      static {
          System.loadLibrary("MyNative");
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          ExecMyNativeMethod execMyNativeMethod = new ExecMyNativeMethod();
          execMyNativeMethod.start0();
      }
  
      private native void start0();
  
      public void run() {
          System.out.println("I'm run method..........");
      }
  }

• 第二步：修改上述的myThreadNew.c文件为如下内容(用到了JNI，这个c文件在jdk的安装目录中可以找到，所以这是jdk提供的功能)：

  #include "stdio.h"
  #include "ExecMyNativeMethod.h" // 将自定义的头文件导入
  #include "jni.h"
  
  /**
   * 此方法就是后面java要调用到的native方法
   */
  JNIEXPORT void JNICALL Java_ExecMyNativeMethod_start0(JNIEnv *env, jobject c1) {
      jclass cls = (*env)->FindClass(env, "ExecMyNativeMethod");
      if (cls == NULL) {
          printf("Not found class!");
          return;
      }
      
      jmethodID cid = (*env)->GetMethodID(env, cls, "", "()V");
      if (cid == NULL) {
          printf("Not found constructor!");
          return;
      }
      
      jobject obj = (*env)->NewObject(env, cls, cid);
      if (obj == NULL) {
          printf("Init object failed!");
          return;
      }
      
      jmethodID rid = (*env)->GetMethodID(env, cls, "run", "()V");
      jint ret = (*env)->CallIntMethod(env, obj, rid, NULL);
      
      printf("Finished!");
  }

• 第三步：将myThreadNew.c文件编译成动态链接库

  gcc -I $JAVA_HOME/include -I $JAVA_HOME/include/linux -fPIC -shared -o libMyNative.so myThreadNew.c

• 第四步：编译java类并执行它

  javac ExecMyNativeMethod.java
  java ExecMyNativeMethod

• 查看运行结果：
  

  2.4 额外总结

• 关于用户态和内核态。咱们把它理解成两个角色。用户态理解成普通用户。内核态理解成超级管理员。当普通用户要使用超级管理员的权限时，需要有一个普通用户转化为超级管理员的过程。即所说的用户态转内核态。大家可以想象下，在ubuntu系统下，我们的一个普通用户要使用管理员的权限是不是要在命令前面添加sudo命令？这也是一个转化。

三、总结

• 综上，咱们了解了java线程与os的关系，以及模拟了java调用os函数创建线程的流程。
• 最近在学习并发相关的知识点, 后续将会继续更新。下篇文章主题为：synchronized关键字常见api、初始对象头以及证明hashcode。
• 并发模块对应github地址：传送门
• I am a slow walker, but I never walk backwards.