JVM源码剖析之Thread类中sleep方法

版本信息：
jdk版本：jdk8u40

写在前面：

大部分的Java程序员知道让线程睡眠的方法是Thread.sleep方法，而这个方法是一个native方法，让很多想知道底层如何让线程睡眠的程序员望而却步。所以笔者特意写在这篇文章，带各位读者剖析一下Thread.sleep方法背后的神秘。

源码剖析：

话不多说，先从Java层面看一下sleep这个方法。

public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

public static void sleep(long millis, int nanos)
throws InterruptedException {
	// 非法逻辑
    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }
    // 非法逻辑
    if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
        throw new IllegalArgumentException(
                            "nanosecond timeout value out of range");
    }

    // 如果大于500000就算一毫秒，如果没有设置毫秒，那么纳秒单位就四舍五入算一毫秒。
    if (nanos >= 500000 || (nanos != 0 && millis == 0)) {
        millis++;
    }

    // 调用重载的sleep方法。
    sleep(millis);
}

这是一个重载的方法，可以单独传入毫秒，也可以传入毫秒和纳秒。不管调用哪一个sleep最终都是调用native的sleep方法，所以接下来需要看底层如何对其实现。

src/share/native/java/lang/Thread.c 文件中有定义sleep的native实现方法。

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},
    {"countStackFrames", "()I",        (void *)&JVM_CountStackFrames},
    {"interrupt0",       "()V",        (void *)&JVM_Interrupt},
    {"isInterrupted",    "(Z)Z",       (void *)&JVM_IsInterrupted},
    {"holdsLock",        "(" OBJ ")Z", (void *)&JVM_HoldsLock},
    {"getThreads",        "()[" THD,   (void *)&JVM_GetAllThreads},
    {"dumpThreads",      "([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads},
    {"setNativeName",    "(" STR ")V", (void *)&JVM_SetNativeThreadName},
};

这里是一个Thread类中所有native方法的映射表，我们看到sleep映射为JVM_Sleep方法。

所以看到 src/share/vm/prims/jvm.cpp 文件中 JVM_Sleep方法

JVM_ENTRY(void, JVM_Sleep(JNIEnv* env, jclass threadClass, jlong millis))
  JVMWrapper("JVM_Sleep");

  // 改变状态为sleeping中。
  JavaThreadSleepState jtss(thread);

  EventThreadSleep event;

  if (millis == 0) {		
  	// 如果传入的毫秒为0，那么底层为转换为yield方法，而yield仅仅是让出CPU的使用权，让当前线程重新等待被调度
    if (ConvertSleepToYield) {
      os::yield();
    } else {
    	// 如果不支持转换为yield方法，那么会给出一个默认的睡眠时间。
      ThreadState old_state = thread->osthread()->get_state();
      thread->osthread()->set_state(SLEEPING);
      os::sleep(thread, MinSleepInterval, false);
      thread->osthread()->set_state(old_state);
    }
  } else {
    // 拿到线程在sleep之前的状态。
    ThreadState old_state = thread->osthread()->get_state();
    // 把线程状态改变成SLEEPING
    thread->osthread()->set_state(SLEEPING);

    // 因为对于线程的操作只能交给操作系统
    if (os::sleep(thread, millis, true) == OS_INTRPT) {
     
      // 如果睡眠期间被中断，那么抛出中断异常。
      THROW_MSG(vmSymbols::java_lang_InterruptedException(), "sleep interrupted");
    }
    // 改回之前的状态。
    thread->osthread()->set_state(old_state);
  }
JVM_END

对这里做一个简单的总结：

1. 改变状态为Sleeping
2. 如果开发者传入的毫秒为0，这里会根据策略转换成yield，如果不支持转换就会给出默认的睡眠时间
3. 因为对于线程的操作只能交给操作系统完成，所以这里调用os::sleep方法，接下来会重点分析此方法。
4. 如果睡眠过程中被中断了，那么会抛出中断异常
5. 睡眠正常完成后，会把状态改变成之前的状态。

因为我们只关心Linux操作系统，所以看到src/os/linux/vm/os_linux.cpp 文件中sleep方法。

int os::sleep(Thread* thread, jlong millis, bool interruptible) {
  ParkEvent * const slp = thread->_SleepEvent ;
  slp->reset() ;
  OrderAccess::fence() ;

  // 判断是否响应中断。
  if (interruptible) {
    // 拿到进入之前的时间（纳米为单位）
    jlong prevtime = javaTimeNanos();

    for (;;) {
      // 如果被中断了。
      if (os::is_interrupted(thread, true)) {
        return OS_INTRPT;
      }

      // 拿到最新的时间（纳米为单位）
      jlong newtime = javaTimeNanos();

      
      if (newtime - prevtime < 0) {
        // 最新的时间小于之前的时间，这不是扯淡么。
        assert(!Linux::supports_monotonic_clock(), "time moving backwards");
      } else {
        // 一秒 = 1000毫秒
        // 一秒 = 1000000000纳秒
        // NANOSECS_PER_MILLISEC = 1000000
        // 这里是获取到当前睡眠的时间，并且从纳秒转换成毫秒。
        millis -= (newtime - prevtime) / NANOSECS_PER_MILLISEC;
      }

      // 时间到了，直接退出。
      if(millis <= 0) {
        return OS_OK;
      }

      prevtime = newtime;

      {
        JavaThread *jt = (JavaThread *) thread;
        ThreadBlockInVM tbivm(jt);

        // 改变线程状态。
        OSThreadWaitState osts(jt->osthread(), false /* not Object.wait() */);

        jt->set_suspend_equivalent();

        // 睡眠
        slp->park(millis);

      }
    }
  } else {
    OSThreadWaitState osts(thread->osthread(), false /* not Object.wait() */);
    jlong prevtime = javaTimeNanos();

    for (;;) {
      jlong newtime = javaTimeNanos();

      if (newtime - prevtime < 0) {
        assert(!Linux::supports_monotonic_clock(), "time moving backwards");
      } else {
        millis -= (newtime - prevtime) / NANOSECS_PER_MILLISEC;
      }

      if(millis <= 0) break ;

      prevtime = newtime;
      slp->park(millis);
    }
    return OS_OK ;
  }
}

对这里做一个简单的总结：

1. 拿到当前线程对应的parkEvent，这个可以理解为提供了底层睡眠和阻塞的API。
2. 判断是否可以响应中断
3. 如果响应中断，那么每次循环都会判断是否被中断了
4. 获取当前时间，此时间是纳秒
5. 纳秒转换成毫秒，因为底层睡眠时间需要时毫秒单位（这里为什么获取当前时间不直接拿毫秒，因为考虑到精准度的问题）
6. 调用parkEvent的park方法，进入操作系统睡眠。

考虑到文章的篇幅问题，parkEvent的park方法就不细追了。大家可以黑盒的理解，它就是让当前线程去阻塞，而传入的单位就是阻塞的时间。

总结：

sleep的底层实现并不复杂，但是不看源码是不会知道，如果传入的时间为0会优化成yield方法，并且在底层并不会像Object类中wait方法一样，释放锁资源等等～