【高并发】Thread类的源码精髓

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冰 河 发表于 2023/01/28 17:21:18 2023/01/28
【摘要】 Thread类的源码解析，我只看这一篇

前言

最近和一个朋友聊天，他跟我说起了他去XXX公司面试的情况，面试官的一个问题把他打懵了！竟然问他：你经常使用Thread创建线程，那你看过Thread类的源码吗？我这个朋友自然是没看过Thread类的源码，然后，就没有然后了！！！

所以，我们学习技术不仅需要知其然，更需要知其所以然，今天，我们就一起来简单看看Thread类的源码。

注意：本文是基于JDK 1.8来进行分析的。

Thread类的继承关系

我们可以使用下图来表示Thread类的继承关系。

在这里插入图片描述
由上图我们可以看出，Thread类实现了Runnable接口，而Runnable在JDK 1.8中被@FunctionalInterface注解标记为函数式接口，Runnable接口在JDK 1.8中的源代码如下所示。

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

Runnable接口的源码比较简单，只是提供了一个run()方法，这里就不再赘述了。

接下来，我们再来看看@FunctionalInterface注解的源码，如下所示。

@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.TYPE)
public @interface FunctionalInterface {}

可以看到，@FunctionalInterface注解声明标记在Java类上，并在程序运行时生效。

Thread类的源码剖析

Thread类定义

Thread在java.lang包下，Thread类的定义如下所示。

public class Thread implements Runnable {

加载本地资源

打开Thread类后，首先，我们会看到在Thread类的最开始部分，定义了一个静态本地方法registerNatives()，这个方法主要用来注册一些本地系统的资源。并在静态代码块中调用这个本地方法，如下所示。

//定义registerNatives()本地方法注册系统资源
private static native void registerNatives();
static {
    //在静态代码块中调用注册本地系统资源的方法
    registerNatives();
}

Thread中的成员变量

Thread类中的成员变量如下所示。

//当前线程的名称
private volatile String name;
//线程的优先级
private int            priority;
private Thread         threadQ;
private long           eetop;
//当前线程是否是单步线程
private boolean     single_step;
//当前线程是否在后台运行
private boolean     daemon = false;
//Java虚拟机的状态
private boolean     stillborn = false;
//真正在线程中执行的任务
private Runnable target;
//当前线程所在的线程组
private ThreadGroup group;
//当前线程的类加载器
private ClassLoader contextClassLoader;
//访问控制上下文
private AccessControlContext inheritedAccessControlContext;
//为匿名线程生成名称的编号
private static int threadInitNumber;
//与此线程相关的ThreadLocal,这个Map维护的是ThreadLocal类
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
//与此线程相关的ThreadLocal
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
//当前线程请求的堆栈大小，如果未指定堆栈大小，则会交给JVM来处理
private long stackSize;
//线程终止后存在的JVM私有状态
private long nativeParkEventPointer;
//线程的id
private long tid;
//用于生成线程id
private static long threadSeqNumber;
//当前线程的状态，初始化为0，代表当前线程还未启动
private volatile int threadStatus = 0;
//由（私有）java.util.concurrent.locks.LockSupport.setBlocker设置
//使用java.util.concurrent.locks.LockSupport.getBlocker访问
volatile Object parkBlocker;
//Interruptible接口中定义了interrupt方法，用来中断指定的线程
private volatile Interruptible blocker;
//当前线程的内部锁
private final Object blockerLock = new Object();
//线程拥有的最小优先级
public final static int MIN_PRIORITY = 1;
//线程拥有的默认优先级
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
//线程拥有的最大优先级
public final static int MAX_PRIORITY = 10;

从Thread类的成员变量，我们可以看出，Thread类本质上不是一个任务，它是一个实实在在的线程对象，在Thread类中拥有一个Runnable类型的成员变量target，而这个target成员变量就是需要在Thread线程对象中执行的任务。

线程的状态定义

在Thread类的内部，定义了一个枚举State，如下所示。

public enum State {
   //初始化状态
    NEW,
   //可运行状态，此时的可运行包括运行中的状态和就绪状态
    RUNNABLE,
   //线程阻塞状态
    BLOCKED,
   //等待状态
    WAITING,
    //超时等待状态
    TIMED_WAITING,
    //线程终止状态
    TERMINATED;
}

这个枚举类中的状态就代表了线程生命周期的各状态。我们可以使用下图来表示线程各个状态之间的转化关系。

在这里插入图片描述

  • NEW：初始状态，线程被构建，但是还没有调用start()方法。

  • RUNNABLE：可运行状态，可运行状态可以包括：运行中状态和就绪状态。

  • BLOCKED：阻塞状态，处于这个状态的线程需要等待其他线程释放锁或者等待进入synchronized。

  • WAITING：表示等待状态，处于该状态的线程需要等待其他线程对其进行通知或中断等操作，进而进入下一个状态。

  • TIME_WAITING：超时等待状态。可以在一定的时间自行返回。

  • TERMINATED：终止状态，当前线程执行完毕。

Thread类的构造方法

Thread类中的所有构造方法如下所示。

public Thread() {
    init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
public Thread(Runnable target) {
    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
Thread(Runnable target, AccessControlContext acc) {
    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0, acc, false);
}
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target) {
    init(group, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
public Thread(String name) {
    init(null, null, name, 0);
}
public Thread(ThreadGroup group, String name) {
    init(group, null, name, 0);
}
public Thread(Runnable target, String name) {
    init(null, target, name, 0);
}
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
    init(group, target, name, 0);
}
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name,
              long stackSize) {
    init(group, target, name, stackSize);
}

其中，我们最经常使用的就是如下几个构造方法了。

public Thread() {
    init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
public Thread(Runnable target) {
    init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
public Thread(String name) {
    init(null, null, name, 0);
}
public Thread(ThreadGroup group, String name) {
    init(group, null, name, 0);
}
public Thread(Runnable target, String name) {
    init(null, target, name, 0);
}
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
    init(group, target, name, 0);
}

通过Thread类的源码，我们可以看出，Thread类在进行初始化的时候，都是调用的init()方法，接下来，我们看看init()方法是个啥。

init()方法

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize) {
    init(g, target, name, stackSize, null, true);
}
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                  long stackSize, AccessControlContext acc,
                  boolean inheritThreadLocals) {
    //线程的名称为空，抛出空指针异常
    if (name == null) {
        throw new NullPointerException("name cannot be null");
    }

    this.name = name;
    Thread parent = currentThread();
    //获取系统安全管理器
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    //线程组为空
    if (g == null) {
        //获取的系统安全管理器不为空
        if (security != null) {
            //从系统安全管理器中获取一个线程分组
            g = security.getThreadGroup();
        }
        //线程分组为空，则从父线程获取
        if (g == null) {
            g = parent.getThreadGroup();
        }
    }
    //检查线程组的访问权限
    g.checkAccess();
    //检查权限
    if (security != null) {
        if (isCCLOverridden(getClass())) {
            security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
        }
    }
    g.addUnstarted();
    //当前线程继承父线程的相关属性
    this.group = g;
    this.daemon = parent.isDaemon();
    this.priority = parent.getPriority();
    if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
        this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
    else
        this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
    this.inheritedAccessControlContext =
        acc != null ? acc : AccessController.getContext();
    this.target = target;
    setPriority(priority);
    if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
        this.inheritableThreadLocals =
        ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
    /* Stash the specified stack size in case the VM cares */
    this.stackSize = stackSize;

    //设置线程id
    tid = nextThreadID();
}

Thread类中的构造方法是被创建Thread线程的线程调用的，此时，调用Thread的构造方法创建线程的线程就是父线程，在init()方法中，新创建的Thread线程会继承父线程的部分属性。

run()方法

既然Thread类实现了Runnable接口，则Thread类就需要实现Runnable接口的run()方法，如下所示。

@Override
public void run() {
    if (target != null) {
        target.run();
    }
}

可以看到，Thread类中的run()方法实现非常简单，只是调用了Runnable对象的run()方法。所以，真正的任务是运行在run()方法中的。另外，需要注意的是：直接调用Runnable接口的run()方法不会创建新线程来执行任务，如果需要创建新线程执行任务，则需要调用Thread类的start()方法。

start()方法

public synchronized void start() {
   //线程不是初始化状态，则直接抛出异常
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();
    //添加当前启动的线程到线程组
    group.add(this);
	//标记线程是否已经启动
    boolean started = false;
    try {
        //调用本地方法启动线程
        start0();
        //将线程是否启动标记为true
        started = true;
    } finally {
        try {
            //线程未启动成功
            if (!started) {
                //将线程在线程组里标记为启动失败
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                  it will be passed up the call stack */
        }
    }
}

private native void start0();

从start()方法的源代码，我们可以看出：start()方法使用synchronized关键字修饰，说明start()方法是同步的，它会在启动线程前检查线程的状态，如果不是初始化状态，则直接抛出异常。所以，一个线程只能启动一次，多次启动是会抛出异常的。

这里，也是面试的一个坑：面试官：【问题一】能不能多次调用Thread类的start()方法来启动线程吗？【问题二】多次调用Thread线程的start()方法会发生什么？【问题三】为什么会抛出异常？

调用start()方法后，新创建的线程就会处于就绪状态（如果没有分配到CPU执行），当有空闲的CPU时，这个线程就会被分配CPU来执行，此时线程的状态为运行状态，JVM会调用线程的run()方法执行任务。

sleep()方法

sleep()方法可以使当前线程休眠，其代码如下所示。

//本地方法，真正让线程休眠的方法
public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;

public static void sleep(long millis, int nanos)
    throws InterruptedException {
    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
        throw new IllegalArgumentException(
            "nanosecond timeout value out of range");
    }

    if (nanos >= 500000 || (nanos != 0 && millis == 0)) {
        millis++;
    }
	//调用本地方法
    sleep(millis);
}

sleep()方法会让当前线程休眠一定的时间，这个时间通常是毫秒值，这里需要注意的是：调用sleep()方法使线程休眠后，线程不会释放相应的锁。

join()方法

join()方法会一直等待线程超时或者终止，代码如下所示。

public final synchronized void join(long millis)
    throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

public final synchronized void join(long millis, int nanos)
    throws InterruptedException {

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
        throw new IllegalArgumentException(
            "nanosecond timeout value out of range");
    }

    if (nanos >= 500000 || (nanos != 0 && millis == 0)) {
        millis++;
    }

    join(millis);
}

public final void join() throws InterruptedException {
    join(0);
}

join()方法的使用场景往往是启动线程执行任务的线程，调用执行线程的join()方法，等待执行线程执行任务，直到超时或者执行线程终止。

interrupt()方法

interrupt()方法是中断当前线程的方法，它通过设置线程的中断标志位来中断当前线程。此时，如果为线程设置了中断标志位，可能会抛出InteruptedExeption异常，同时，会清除当前线程的中断状态。这种方式中断线程比较安全，它能使正在执行的任务执行能够继续执行完毕，而不像stop()方法那样强制线程关闭。代码如下所示。

public void interrupt() {
    if (this != Thread.currentThread())
        checkAccess();

    synchronized (blockerLock) {
        Interruptible b = blocker;
        if (b != null) {
            interrupt0();           // Just to set the interrupt flag
            b.interrupt(this);
            return;
        }
    }
    //调用本地方法中断线程
    interrupt0();
}
private native void interrupt0();

总结

作为技术人员，要知其然，更要知其所以然，我那个朋友技术本身不错，各种框架拿来就用，基本没看过常用的框架源码和JDK中常用的API，属于那种CRUD型程序员，这次面试就栽在了一个简单的Thread类上，所以，大家在学会使用的时候，一定要了解下底层的实现才好啊！

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