《JVM G1源码分析和调优》 —2.6　线程

2.6　线程

线程是程序执行的基本单元，在JVM中也定义封装了线程。图2-1是JVM的线程类图。

图2-1　JVM线程类结构图

这里只介绍G1中涉及的几类线程：

JavaThread：就是要执行Java代码的线程，比如Java代码的启动会创建一个JavaThread运行；对于Java代码的启动，可以通过JNI_CreateJavaVM来创建一个JavaThread，而对于一般的Java线程，都是调用java.lang.thread中的start方法，这个方法通过JNI调用创建JavaThread对象，完成真正的线程创建。

CompilerThread：执行JIT的线程。

WatcherThread：执行周期性任务，JVM里面有很多周期性任务，例如内存管理中对小对象使用了ChunkPool，而这种管理需要周期性的清理动作ChunkPool

Cleaner；JVM中内存抽样任务MemProfilerTask等都是周期性任务。

NameThread：是JVM内部使用的线程，分类如图2-1所示。

VMThread：JVM执行GC的同步线程，这个是JVM最关键的线程之一，主要是用于处理垃圾回收。简单地说，所有的垃圾回收操作都是从VMThread触发的，如果是多线程回收，则启动多个线程，如果是单线程回收，则使用VMThread

进行。VMThread提供了一个队列，任何要执行GC的操作都实现了VM_GC_Operation，在JavaThread中执行VMThread::execute(VM_GC_Operation)把GC操作放入到队列中，然后再用VMThread的run方***询这个队列就可以了。当这个队列有内容的时候它就开始尝试进入安全点，然后执行相应的GC任务，完成GC任务后会退出安全点。

ConcurrentGCThread：并发执行GC任务的线程，比如G1中的ConcurrentMark

Thread和ConcurrentG1RefineThread，分别处理并发标记和并发Refine，这两个线程将在混合垃圾收集和新生代垃圾回收中介绍。

WorkerThread：工作线程，在G1中使用了FlexibleWorkGang，这个线程是并行执行的（个数一般和CPU个数相关），所以可以认为这是一个线程池。线程池里面的线程是为了执行任务（在G1中是G1ParTask），也就是做GC工作的地方。VMThread会触发这些任务的调度执行（其实是把G1ParTask放入到这些工作线程中，然后由工作线程进行调度）。

从线程的实现角度来看，JVM中的每一个线程都对应一个操作系统（OS）线程。JVM为了提供统一的处理，设计了JVM线程状态，代码如下所示：

hotspot/src/share/vm/classfile/javaClasses.hpp

NEW                            // 新创建线程

RUNNABLE                       // 可运行或者正在运行

SLEEPING                       // 调用Thread.sleep()进入睡眠

IN_OBJECT_WAIT                 // 调用Object.wait()进入等待

IN_OBJECT_WAIT_TIMED           // 调用Object.wait(long)进入等待，带有过期时间

PARKED                         // JVM内部使用LockSupport.park()进入等待

PARKED_TIMED                   // JVM内部使用LockSupport.park(long)进入等待，

                               // 带有过期时间

BLOCKED_ON_MONITOR_ENTER       // 进入一个同步块

TERMINATED                     // 终止

JVM可以运行在不同的操作系统之上，所以它也统一定义了操作系统线程的状态，代码如下所示：

hotspot/src/share/vm/runtime/osThread.hpp

ALLOCATED,                    // 线程已经分配但还没初始化

INITIALIZED,                  // 线程已经初始化，还没开始启动

RUNNABLE,                     // 线程已经启动并可被执行或者正在运行

MONITOR_WAIT,                 // 等待一个Monitor

CONDVAR_WAIT,                 // 等待一个条件变量

OBJECT_WAIT,                  // 通过调用Object.wait()等待对象

BREAKPOINTED,                 // 调试状态

SLEEPING,                     // 通过调用Thread.sleep()而进入睡眠

ZOMBIE                        // 僵死状态，待回收

这里定义不同的线程状态有两个目的：第一、统一管理，第二、根据状态可以做一些同步处理，相关内容在VMThread进入安全点时会有涉及。关于安全点的内容并不影响G1的阅读，后文将会详细介绍。

当线程创建时，它的状态为NEW，当执行时转变为RUNNABLE。线程在Windows

和Linux上的实现稍有区别。在Linux上创建线程后，虽然设置成NEW，但是Linux的线程创建完之后就可以执行，所以为了让线程只有在执行Java代码的start之后才能执行，当线程初始化之后，通过等待一个信号将线程暂停，代码如下所示：

hotspot/src/os/linux/vm/os_linux.cpp

{

  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);

  }

}

在调用start方法时，发送通知事件，让线程真正运行起来。

2.6.1　栈帧

栈帧（frame）在线程执行时和运行过程中用于保存线程的上下文数据，JVM设计了Java栈帧，这是垃圾回收中最重要的根，栈帧的结构在不同的CPU中并不相同，在x86中代码如下所示：

hotspot/src/cpu/x86/vm/frame_x86.inline.hpp

_pc = NULL;                   // 程序计数器，指向下一个要执行的代码地址

_sp = NULL;                    // 栈顶指针

_unextended_sp = NULL;            // 异常栈顶指针

_fp = NULL;                     // fp是栈底指针

_cb = NULL;                    // cb是代码块的地址

_deopt_state = unknown;           // 这个字段描述从编译代码到解释代码反优化的状态

在实际应用中主要使用vframe，它包含了栈帧的字段和线程对象。在JaveThread中定义了JavaFrameAnchor，这个结构保存的是最后一个栈帧的sp、fp。每一个JavaThread都有一个JavaFrameAnchor，即最后一次调用栈的sp、fp。而通过这两个值可以构造栈帧结构，并且根据栈帧的内容，能够遍历整个JavaThread运行时的所有调用链。获取的方法就是根据JavaFrameAnchor里面的sp、fp构造栈帧，再根据栈帧构造vframe结构，代码如下所示：

vframe* start_vf = last_java_vframe(&reg_map);

for (vframe* f = start_vf; f; f = f->sender() ) {

  ……

}

在遍历的时候主要通过sender获得下一个栈，其中sender位于栈帧中，其具体的位置依赖于栈的布局，比如汇编解释器在执行时栈帧的代码如下：

hotspot/src/cpu/x86/vm/frame_x86.hpp

栈帧也是和GC密切相关的，在GC过程中，通常第一步就是遍历根，Java线程栈帧就是根元素之一，遍历整个栈帧的方式是通过StackFrameStream，其中封装了一个next指针，其原理和上述的代码一样，通过sender获得调用者的栈帧。

值得一提的是，我们将Java的栈帧作为根来遍历堆，对对象进行标记并收集垃圾。