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从Java到JVM到OS线程睡眠

前言

Java 中有时需要将线程进入睡眠状态,这时一般我们就会通过Thread.sleep使线程进入睡眠状态,接下去就看看执行该语句在 JVM 中做了什么。

简单例子

以下是一个简单的例子,使主线程睡眠5秒钟。

public class TestSleep {

	public static void main(String[] args) {
		try {
			Thread.sleep(5000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

}
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JVM 中的线程

在继续往 JVM 层看start0本地方法前,我们先了解下 JVM 中的相关线程,这将有助于后面更好理解 Java 层线程与 JVM 中的线程对应关系。

在 JVM 中,也用 C++ 定义了一些 Thread 类,它们的继承结构如下,其中对于 Java 层线程到 JVM 层主要相关的有 Java 层的 java.lang.Thread、JavaThread 和 OSThread。

  • java.lang.Thread 属于 Java 层的线程对象,每个 Java 层对象都会在 JVM 中使用 oop 来表示,所以它也会在 JVM 中产生一个 oop。
  • Thread 是 C++ 定义的线程基类,除了 OSThread 类,作为其他线程的基类,它包含了 OSThread 对象的指针。
  • JavaThread 是 C++ 定义的线程类,我们在 Java 层创建的线程对象会使用 JavaThread 对象来表示,它包含了指向线程的 oop 的指针。
  • OSThread 是 C++ 定义的线程,它不与其他线程构成继承关系,它是 JVM 对不同操作系统的线程的统一抽象,它维护了操作系统线程的句柄,用于获取操作系统的线程。
--Thread
	--JavaThread
		--CodeCacheSweeperThread
		--CompilerThread
		--JvmtiAgentThread
		--ServiceThread
	--NamedThread
		--ConcurrentGCThread
		--VMThread
		--WorkerThread
			--AbstractGangWorker
			--GCTaskThread
	--WatcherThread
--OSThread
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sleep方法

在 Thread 类中,sleep是一个静态且本地方法。

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

Java 层声明的本地方法对应实现在 Thread.c 中,sleep是一个注册到 JVM 中的方法,它与 JVM 中的JVM_Sleep函数绑定了,所以实现逻辑在JVM_Sleep函数里。逻辑为:

  • JVMWrapper("JVM_Sleep")用于调试。
  • 睡眠时间不能为负。
  • 是否已经被中断了。
  • JavaThreadSleepState jtss(thread)用于修改线程状态并做一些统计,当睡眠结束后,会修改回线程状态,在 JavaThreadSleepState 的析构函数中修改。
  • 睡眠时间如果为0,则根据ConvertSleepToYield做不同处理,它表示是否将 sleep 操作转为 yield 操作。分别调用os::naked_yieldos::sleep处理,封装了不同操作系统的调用实现,后面以 Windows 为例分别看相应实现。
  • 通过thread->osthread()->get_state()获取 OSThread 对象,并将其状态设置为SLEEPING等到 sleep 结束后设置回原来的状态。
  • 如果睡眠时间大于0,则做类似操作,不过它支持中断。
  • 发送事件,结束。
JVM_ENTRY(void, JVM_Sleep(JNIEnv* env, jclass threadClass, jlong millis))
  JVMWrapper("JVM_Sleep");

  if (millis < 0) {
    THROW_MSG(vmSymbols::java_lang_IllegalArgumentException(), "timeout value is negative");
  }

  if (Thread::is_interrupted (THREAD, true) && !HAS_PENDING_EXCEPTION) {
    THROW_MSG(vmSymbols::java_lang_InterruptedException(), "sleep interrupted");
  }

  JavaThreadSleepState jtss(thread);

  HOTSPOT_THREAD_SLEEP_BEGIN(millis);

  EventThreadSleep event;

  if (millis == 0) {
    if (ConvertSleepToYield) {
      os::naked_yield();
    } else {
      ThreadState old_state = thread->osthread()->get_state();
      thread->osthread()->set_state(SLEEPING);
      os::sleep(thread, MinSleepInterval, false);
      thread->osthread()->set_state(old_state);
    }
  } else {
    ThreadState old_state = thread->osthread()->get_state();
    thread->osthread()->set_state(SLEEPING);
    if (os::sleep(thread, millis, true) == OS_INTRPT) {
      if (!HAS_PENDING_EXCEPTION) {
        if (event.should_commit()) {
          event.set_time(millis);
          event.commit();
        }
        HOTSPOT_THREAD_SLEEP_END(1);
        THROW_MSG(vmSymbols::java_lang_InterruptedException(), "sleep interrupted");
      }
    }
    thread->osthread()->set_state(old_state);
  }
  if (event.should_commit()) {
    event.set_time(millis);
    event.commit();
  }
  HOTSPOT_THREAD_SLEEP_END(0);
JVM_END
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os::naked_yield

naked_yield函数的实现很简单,就直接调用SwitchToThread系统函数。通过该函数可以让系统查看是否有其他线程迫切需要CPU,将CPU让给其他线程,如果没有其他线程则立即返回。

void os::naked_yield() {
  SwitchToThread();
}
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os::sleep

  • 获取最大限制大小limit。
  • 如果超过 limit 则通过减法将其转成多次递归调用sleep函数。
  • 获取 OSThread 对象,然后通过 OSThreadWaitState 设置线程状态为等待,修改操作分别在构造函数和析构函数中实现。
  • 根据是否支持中断做不同实现,不需要中断则直接调用Sleep系统函数来实现。
  • 如果要支持中断则接着做下面处理。
  • ThreadBlockInVM 主要是检查当前线程用不用进入 safepoint,后面再详细看。
  • 接着主要到WaitForMultipleObjects系统函数,该函数能等待指定对象指定的毫秒数。如果等待过程中对象没有接到任何信号,则超过指定毫秒数后返回WAIT_TIMEOUT,如果等待过程中对象收到信号,则提前解除等待,此时返回的值为OS_INTRPT,即表示被中断了。
int os::sleep(Thread* thread, jlong ms, bool interruptable) {
  jlong limit = (jlong) MAXDWORD;

  while (ms > limit) {
    int res;
    if ((res = sleep(thread, limit, interruptable)) != OS_TIMEOUT) {
      return res;
    }
    ms -= limit;
  }

  assert(thread == Thread::current(), "thread consistency check");
  OSThread* osthread = thread->osthread();
  OSThreadWaitState osts(osthread, false /* not Object.wait() */);
  int result;
  if (interruptable) {
    assert(thread->is_Java_thread(), "must be java thread");
    JavaThread *jt = (JavaThread *) thread;
    ThreadBlockInVM tbivm(jt);

    jt->set_suspend_equivalent();
    HANDLE events[1];
    events[0] = osthread->interrupt_event();
    HighResolutionInterval *phri=NULL;
    if (!ForceTimeHighResolution) {
      phri = new HighResolutionInterval(ms);
    }
    if (WaitForMultipleObjects(1, events, FALSE, (DWORD)ms) == WAIT_TIMEOUT) {
      result = OS_TIMEOUT;
    } else {
      ResetEvent(osthread->interrupt_event());
      osthread->set_interrupted(false);
      result = OS_INTRPT;
    }
    delete phri; 
    jt->check_and_wait_while_suspended();
  } else {
    assert(!thread->is_Java_thread(), "must not be java thread");
    Sleep((long) ms);
    result = OS_TIMEOUT;
  }
  return result;
}
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ThreadBlockInVM

前面说到 ThreadBlockInVM 会检查当前线程用不用进入 safepoint,它主要的逻辑如下:

  • 首先设置 Java 线程状态,将状态加一,由_thread_in_vm = 6变为_thread_in_vm_trans = 7,从“运行vm本身代码”到“相应的过度状态”。
  • os::is_MP()用于判断计算机系统是否为多核系统,多核情况下需要做内存屏障处理,这是为了让每个线程都能实时同步状态。
  • 内存屏障有两种方式,一种是rderAccess::fence(),它的实现是直接通过CPU指令来实现,汇编指令为__asm__ volatile ("lock; addl $0,0(%%rsp)" : : : "cc", "memory");,这种方式代价比较大。而另外一种为InterfaceSupport::serialize_memory,由 JVM 模拟实现,效率高一点。
  • 调用SafepointSynchronize::block尝试在该安全点进行阻塞。
  • 设置 Java 线程状态为_thread_blocked,即阻塞。
static inline void transition_and_fence(JavaThread *thread, JavaThreadState from, JavaThreadState to) {
    assert(thread->thread_state() == from, "coming from wrong thread state");
    assert((from & 1) == 0 && (to & 1) == 0, "odd numbers are transitions states");
    thread->set_thread_state((JavaThreadState)(from + 1));

    if (os::is_MP()) {
      if (UseMembar) {
        OrderAccess::fence();
      } else {
        // Must use this rather than serialization page in particular on Windows
        InterfaceSupport::serialize_memory(thread);
      }
    }

    if (SafepointSynchronize::do_call_back()) {
      SafepointSynchronize::block(thread);
    }
    thread->set_thread_state(to);

    CHECK_UNHANDLED_OOPS_ONLY(thread->clear_unhandled_oops();)
  }
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