Java线程VS操作系统线程

hello,小伙伴们好,我是江湖人送外号[道格牙]的子牙老师。

今天给大家分享的文章聚焦讲清楚Java线程与操作系统线程之间的关系。我会通过讲清楚这几个问题来让你对这个关系有一个全面的认识,让你在面试中能够让面试官眼前一亮:嚓,这就是我要找的人啊,太特么靠谱了!帮我“背锅”刚刚好。毕竟我的锅太重,一个人背不动。

大概五个问题:

  1. Java线程创建的完整流程
  2. Java的线程是何时与JVM线程绑定的
  3. JVM线程是何时与OS线程绑定的
  4. Java线程对应的OS线程有什么特殊的地方
  5. 调用JavaAPI为什么能够操作OS线程

对于任何支持多线程的计算机语言来说,深入理解线程及写好多线程程序,都是一个巨大的挑战。正因为难,才使得多线程一直是面试的重点难点。面试官刚一开口扯到多线程,有些小伙伴内心就升起了慢慢的恐惧感。平时在看相关的源码时也是,太多的无法理解,太多的无法证明,太多的native深入不下去……为了让大家精通多线程,我从Java级别的线程讲到OS级别的线程,再深入到OS内核级别,通过单步调试内核让你看看线程究竟为何物。就这?当然不是,学到这里不还是理论吗?不还是没有动手能力吗?所以我带你全部手写实现,实现JMM、volatile、synchronized……感兴趣的可以看文末介绍。

如果你想从事中间件开发或者JVM相关工作,这是我问的一位朋友的岗位要求。跟我学完四期,把我布置的作业完成作为项目写入简历,你就能如愿以偿。底层开发工作,因为难,所以做的人不多,所以没那么卷,学历要求没那么高,但是薪资却很高,比CRUD有趣一万倍,没有35岁瓶颈,越老越吃香。如果你能成为TOP,就很抢手,拿股份,跨越阶层,成为人生赢家。实力真的可以改写规则,改变命运。信不信是你的自由。
Java线程VS操作系统线程_第1张图片

打成共识

在讲正式内容之前,咱们先在这几个名词上达成共识。上图
Java线程VS操作系统线程_第2张图片

Java的Thread对象,就是通过new创建的一个Java对象,在JVM中就是一个oop对象。这一步仅仅是创建一个Java对象,注意我的用词:仅仅。

Thread thread = new Thread();

JVM的JavaThread对象:这个对象是一个纽带,连接着Java的Thread对象与OS线程。欲知细节,往下看。

JVM的OSThread对象:这个对象你可以理解成是一个工具类,对OS线程API进行了功能性封装。其实我最开始看到这个类的时候,我就觉得何必搞这么一个类,抽象成这么多层,搞得太复杂了。

我后来悟到一个解释:一、JVM整体上还是面向对象的方式开发,而OS提供的线程API是面向过程式的,为了统一风格;二、JavaThread既然是一个纽带,那最好再设计一个JVM对象绑定OS线程。如果没有OSThread对象,那对操作系统线程的所有封装全部要写到JavaThread对象中,JavaThread对象就太乱了,不符合大佬编程更高,大佬一般都追求如丝般。这个解释只是我的个人理解,不知道写这块代码的大佬到底是怎么想的。

操作系统线程:这里仅指OS应用层线程。

在看下面的内容前,建议先把这四个名词搞明白,不然,我也阻止不了你继续往后面看,但你大概率会一脸懵逼。

再补一句,线程能力一定是OS提供的,就算是偏底层的虚拟机,也是无法提供线程能力的。JVM可以说是目前市面上最优秀、技术集大成的虚拟机,如果你把JVM吃透,讲道理,其他虚拟机都是小儿科了。当然,JVM因为过于追求性能、安全及普适性,有些地方设计得又复杂又臃肿,这也就是大厂自己定制开发JVM的原因所在。

线程创建流程

打成共识以后,上正餐,看看这段Java代码在JVM中是如何运行的

Thread thread = new Thread(() -> {
    System.out.println("子牙手写JVM");
});

thread.start();

这段代码要拆成三部分看:

  1. 创建Thead对象,这个前面讲过了,略过
  2. start方法背后都做了什么?这个是重点。可以这样说,我们前面提的五个问题的答案。欲知细节,往下看。
  3. JVM是如何调用run方法的?通过JNI实现的,这个比较简单,略过。感兴趣的去研究下JNI提供的API

我先略过细节讲下关键流程节点,然后展开讲下关键流程节点。关于细节,感兴趣的小伙伴可自行研究,或者来跟我学习。
Java线程VS操作系统线程_第3张图片

JVM_StartThread核心做了两件事情:

  1. 创建JavaThread对象。对应的构造函数里面做了很多事情,等下展开讲
  2. 唤醒刚刚创建的线程。其实从Linux的角度来说,线程创建了会马上执行。而JVM在OS线程基础上做了一层封装,为了自身的线程机制,在OS线程创建后执行的逻辑中通过锁阻塞了线程,等一切准备就绪手动激活线程运行。
    Java线程VS操作系统线程_第4张图片

创建JavaThread对象这步做了如下这些事情:

  1. 设置entry_point。JVM就是以此为跳板执行Thread的run方法的。这个细节后面写篇文章分享,一两句话讲不清。
  2. 调用os::create_thread创建OSThread对象及OS线程及完成三者之间的连接
    Java线程VS操作系统线程_第5张图片

os::create_thread做了如下这些事情:

  1. 创建OSThread对象。对应的构造函数里面做的事情与这篇文章无关,略过
  2. 将JavaThread与OSThread进行关联:thread->set_osthread(osthread)
  3. 以分离属性创建OS线程:属性设置为PTHREAD_CREATE_DETACHED,调用pthread_create创建系统线程。这些都是Linux系统知识,大家可自行百度研究
  4. 后续操作OS线程的相关API都需要OS线程的ID,所以将OS线程ID保存:osthread->set_pthread_id(tid)

至此,创建线程的核心节点就都给大家讲到了。对于Java线程与OS线程之间的关系及其关联细节,相信大家都有答案了。当然,关于线程的知识点还有很多很多,后面后陆续分享。喜欢子牙分享的内容的可关注一波。

我在研究Hotspot源码的时候画了详细的流程图,感兴趣的小伙伴可以关注公众号【硬核子牙】回复【start执行流程】获取。

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