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从源码的角度再学「Thread」

前言

Java中的线程是使用Thread类实现的,Thread在初学Java的时候就学过了,也在实践中用过,不过一直没从源码的角度去看过它的实现,今天从源码的角度出发,再次学习Java Thread,愿此后对Thread的实践更加得心应手。

从注释开始

相信阅读过JDK源码的同学都能感受到JDK源码中有非常详尽的注释,阅读某个类的源码应当先看看注释对它的介绍,注释原文就不贴了,以下是我对它的总结:

  • Thread是程序中执行的线程,Java虚拟机允许应用程序同时允许多个执行线程

  • 每个线程都有优先级的概念,具有较高优先级的线程优先于优先级较低的线程执行

  • 每个线程都可以被设置为守护线程

  • 当在某个线程中运行的代码创建一个新的Thread对象时,新的线程优先级跟创建线程一致

  • Java虚拟机启动的时候都会启动一个叫做main的线程,它没有守护线程,main线程会继续执行,直到以下情况发送

    • Runtime 类的退出方法exit被调用并且安全管理器允许进行退出操作
    • 所有非守护线程均已死亡,或者run方法执行结束正常返回结果,或者run方法抛出异常
  • 创建线程第一种方式:继承Thread类,重写run方法

    //定义线程类
    class PrimeThread extends Thread {
          long minPrime;
          PrimeThread(long minPrime) {
              this.minPrime = minPrime;
          }
          public void run() {
              // compute primes larger than minPrime
               . . .
          }
      }
    //启动线程
    PrimeThread p = new PrimeThread(143);
    p.start();
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  • 创建线程第二种方式:实现Runnable接口,重写run方法,因为Java的单继承限制,通常使用这种方式创建线程更加灵活

    //定义线程
     class PrimeRun implements Runnable {
          long minPrime;
          PrimeRun(long minPrime) {
              this.minPrime = minPrime;
          }
          public void run() {
              // compute primes larger than minPrime
               . . .
          }
      }
    //启动线程
    PrimeRun p = new PrimeRun(143);
    new Thread(p).start();
    复制代码
  • 创建线程时可以给线程指定名字,如果没有指定,会自动为它生成名字

  • 除非另有说明,否则将null参数传递给Thread类中的构造函数或方法将导致抛出 NullPointerException

Thread 常用属性

阅读一个Java类,先从它拥有哪些属性入手:

//线程名称,创建线程时可以指定线程的名称
private volatile String name;

//线程优先级,可以设置线程的优先级
private int priority;

//可以配置线程是否为守护线程,默认为false
private boolean daemon = false;

//最终执行线程任务的`Runnable`
private Runnable target;

//描述线程组的类
private ThreadGroup group;

//此线程的上下文ClassLoader
private ClassLoader contextClassLoader;

//所有初始化线程的数目,用于自动编号匿名线程,当没有指定线程名称时,会自动为其编号
private static int threadInitNumber;

//此线程请求的堆栈大小,如果创建者没有指定堆栈大小,则为0。, 虚拟机可以用这个数字做任何喜欢的事情。, 一些虚拟机会忽略它。
private long stackSize;

//线程id
private long tid;

//用于生成线程ID
private static long threadSeqNumber;

//线程状态
private volatile int threadStatus = 0;

//线程可以拥有的最低优先级
public final static int MIN_PRIORITY = 1;

//分配给线程的默认优先级。
public final static int NORM_PRIORITY = 5;

//线程可以拥有的最大优先级
public final static int MAX_PRIORITY = 10;
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所有的属性命名都很语义化,其实已看名称基本就猜到它是干嘛的了,难度不大~~

Thread 构造方法

了解了属性之后,看看Thread实例是怎么构造的?先预览下它大致有多少个构造方法:

查看每个构造方法内部源码,发现均调用的是名为init的私有方法,再看init方法有两个重载,而其核心方法如下:

   /**
     * Initializes a Thread.
     *
     * @param g                   线程组
     * @param target              最终执行任务的 `run()` 方法的对象
     * @param name                新线程的名称
     * @param stackSize           新线程所需的堆栈大小,或者 0 表示要忽略此参数
     * @param acc                 要继承的AccessControlContext,如果为null,则为 AccessController.getContext()
     * @param inheritThreadLocals 如果为 true,从构造线程继承可继承的线程局部的初始值
     */
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        //线程名称为空,直接抛出空指针异常
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException("name cannot be null");
        }
        //初始化当前线程对象的线程名称
        this.name = name;
        //获取当前正在执行的线程为父线程
        Thread parent = currentThread();
        //获取系统安全管理器
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        //如果线程组为空
        if (g == null) {
            //如果安全管理器不为空
            if (security != null) {
                //获取SecurityManager中的线程组
                g = security.getThreadGroup();
            }
            //如果获取的线程组还是为空
            if (g == null) {
                //则使用父线程的线程组
                g = parent.getThreadGroup();
            }
        }
        
        //检查安全权限
        g.checkAccess();

        //使用安全管理器检查是否有权限
        if (security != null) {
            if (isCCLOverridden(getClass())) {
                security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
            }
        }
        
        //线程组中标记未启动的线程数+1,这里方法是同步的,防止出现线程安全问题
        g.addUnstarted();
        
        //初始化当前线程对象的线程组
        this.group = g;
        //初始化当前线程对象的是否守护线程属性,注意到这里初始化时跟父线程一致
        this.daemon = parent.isDaemon();
        //初始化当前线程对象的线程优先级属性,注意到这里初始化时跟父线程一致
        this.priority = parent.getPriority();
        //这里初始化类加载器
        if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
            this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
        else
            this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
        this.inheritedAccessControlContext =
                acc != null ? acc : AccessController.getContext();
        //初始化当前线程对象的最终执行任务对象
        this.target = target;
        //这里再对线程的优先级字段进行处理
        setPriority(priority);
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
        //初始化当前线程对象的堆栈大小
        this.stackSize = stackSize;

        //初始化当前线程对象的线程ID,该方法是同步的,内部实际上是threadSeqNumber++
        tid = nextThreadID();
    }
复制代码

另一个重载init私有方法如下,实际上内部调用的是上述init方法:

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize) {
        init(g, target, name, stackSize, null, true);
    }
复制代码

接下来看看所有构造方法:

  1. 空构造方法

     public Thread() {
            init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
        }
    复制代码

    内部调用的是init第二个重载方法,参数基本都是默认值,线程名称写死为"Thread-" + nextThreadNum()格式,nextThreadNum()为一个同步方法,内部维护一个静态属性表示线程的初始化数量+1:

     private static int threadInitNumber;
        private static synchronized int nextThreadNum() {
            return threadInitNumber++;
        }
    复制代码
  2. 自定义执行任务Runnable对象的构造方法

    public Thread(Runnable target) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
    复制代码

    与第一个构造方法区别在于可以自定义Runnable对象

  3. 自定义执行任务Runnable对象和AccessControlContext对象的构造方法

     Thread(Runnable target, AccessControlContext acc) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0, acc, false);
    }
    复制代码
  4. 自定义线程组ThreadGroup和执行任务Runnable对象的构造方法

    public Thread(ThreadGroup group, Runnable target) {
        init(group, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
    复制代码
  5. 自定义线程名称name的构造方法

     public Thread(String name) {
        init(null, null, name, 0);
    }
    复制代码
  6. 自定义线程组ThreadGroup和线程名称name的构造方法

     public Thread(ThreadGroup group, String name) {
        init(group, null, name, 0);
    }
    复制代码
  7. 自定义执行任务Runnable对象和线程名称name的构造方法

     public Thread(Runnable target, String name) {
        init(null, target, name, 0);
    }
    复制代码
  8. 自定义线程组ThreadGroup和线程名称name和执行任务Runnable对象的构造方法

      public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
        init(group, target, name, 0);
    }
    复制代码
  9. 全部属性都是自定义的构造方法

      public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name,
                  long stackSize) {
        init(group, target, name, stackSize);
    }
    复制代码

Thread提供了非常灵活的重载构造方法,方便开发者自定义各种参数的Thread对象。

常用方法

这里记录一些比较常见的方法吧,对于Thread中存在的一些本地方法,我们暂且不用管它~

设置线程名称

设置线程名称,该方法为同步方法,为了防止出现线程安全问题,可以手动调用Thread的实例方法设置名称,也可以在构造Thread时在构造方法中传入线程名称,我们通常都是在构造参数时设置

   public final synchronized void setName(String name) {
         //检查安全权限
          checkAccess();
         //如果形参为空,抛出空指针异常
          if (name == null) {
              throw new NullPointerException("name cannot be null");
          }
  	  //给当前线程对象设置名称
          this.name = name;
          if (threadStatus != 0) {
              setNativeName(name);
          }
      }
复制代码

获取线程名称

内部直接返回当前线程对象的名称属性

  public final String getName() {
        return name;
    }
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启动线程

public synchronized void start() {
        //如果不是刚创建的线程,抛出异常
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();

        //通知线程组,当前线程即将启动,线程组当前启动线程数+1,未启动线程数-1
        group.add(this);
        
        //启动标识
        boolean started = false;
        try {
            //直接调用本地方法启动线程
            start0();
            //设置启动标识为启动成功
            started = true;
        } finally {
            try {
                //如果启动呢失败
                if (!started) {
                    //线程组内部移除当前启动的线程数量-1,同时启动失败的线程数量+1
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
                /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                  it will be passed up the call stack */
            }
        }
    }
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我们正常的启动线程都是调用Threadstart()方法,然后Java虚拟机内部会去调用Thredrun方法,可以看到Thread类也是实现Runnable接口,重写了run方法的:

 @Override
    public void run() {
        //当前执行任务的Runnable对象不为空,则调用其run方法
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }
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Thread的两种使用方式:

  • 继承Thread类,重写run方法,那么此时是直接执行run方法的逻辑,不会使用target.run();
  • 实现Runnable接口,重写run方法,因为Java的单继承限制,通常使用这种方式创建线程更加灵活,这里真正的执行逻辑就会交给自定义Runnable去实现

设置守护线程

本质操作是设置daemon属性

public final void setDaemon(boolean on) {
        //检查是否有安全权限
        checkAccess();
        //本地方法,测试此线程是否存活。, 如果一个线程已经启动并且尚未死亡,则该线程处于活动状态
        if (isAlive()) {
            //如果线程先启动后再设置守护线程,将抛出异常
            throw new IllegalThreadStateException();
        }
        //设置当前守护线程属性
        daemon = on;
    }
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判断线程是否为守护线程

 public final boolean isDaemon() {
        //直接返回当前对象的守护线程属性
        return daemon;
    }
复制代码

线程状态

先来个线程状态图:

获取线程状态:

 public State getState() {
        //由虚拟机实现,获取当前线程的状态
        return sun.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
    }
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线程状态主要由内部枚举类State组成:

  public enum State {
      
        NEW,

      
        RUNNABLE,

      
        BLOCKED,

       
        WAITING,

       
        TIMED_WAITING,

       
        TERMINATED;
    }
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  • NEW:刚刚创建,尚未启动的线程处于此状态
  • RUNNABLE:在Java虚拟机中执行的线程处于此状态
  • BLOCKED:被阻塞等待监视器锁的线程处于此状态,比如线程在执行过程中遇到synchronized同步块,就会进入此状态,此时线程暂停执行,直到获得请求的锁
  • WAITING:无限期等待另一个线程执行特定操作的线程处于此状态
    • 通过 wait() 方法等待的线程在等待 notify() 方法
    • 通过 join() 方法等待的线程则会等待目标线程的终止
  • TIMED_WAITING:正在等待另一个线程执行动作,直到指定等待时间的线程处于此状态
    • 通过 wait() 方法,携带超时时间,等待的线程在等待 notify() 方法
    • 通过 join() 方法,携带超时时间,等待的线程则会等待目标线程的终止
  • TERMINATED:已退出的线程处于此状态,此时线程无法再回到 RUNNABLE 状态

线程休眠

这是一个静态的本地方法,使当前执行的线程休眠暂停执行 millis 毫秒,当休眠被中断时会抛出InterruptedException中断异常

    /**
     * Causes the currently executing thread to sleep (temporarily cease
     * execution) for the specified number of milliseconds, subject to
     * the precision and accuracy of system timers and schedulers. The thread
     * does not lose ownership of any monitors.
     *
     * @param  millis
     *         the length of time to sleep in milliseconds
     *
     * @throws  IllegalArgumentException
     *          if the value of {@code millis} is negative
     *
     * @throws  InterruptedException
     *          if any thread has interrupted the current thread. The
     *          <i>interrupted status</i> of the current thread is
     *          cleared when this exception is thrown.
     */
    public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;
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检查线程是否存活

本地方法,测试此线程是否存活。 如果一个线程已经启动并且尚未死亡,则该线程处于活动状态。

    /**
     * Tests if this thread is alive. A thread is alive if it has
     * been started and has not yet died.
     *
     * @return  <code>true</code> if this thread is alive;
     *          <code>false</code> otherwise.
     */
    public final native boolean isAlive();
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线程优先级

  • 设置线程优先级
    /**
     * Changes the priority of this thread.
     * <p>
     * First the <code>checkAccess</code> method of this thread is called
     * with no arguments. This may result in throwing a
     * <code>SecurityException</code>.
     * <p>
     * Otherwise, the priority of this thread is set to the smaller of
     * the specified <code>newPriority</code> and the maximum permitted
     * priority of the thread's thread group.
     *
     * @param newPriority priority to set this thread to
     * @exception  IllegalArgumentException  If the priority is not in the
     *               range <code>MIN_PRIORITY</code> to
     *               <code>MAX_PRIORITY</code>.
     * @exception  SecurityException  if the current thread cannot modify
     *               this thread.
     * @see        #getPriority
     * @see        #checkAccess()
     * @see        #getThreadGroup()
     * @see        #MAX_PRIORITY
     * @see        #MIN_PRIORITY
     * @see        ThreadGroup#getMaxPriority()
     */
    public final void setPriority(int newPriority) {
        //线程组
        ThreadGroup g;
        //检查安全权限
        checkAccess();
        //检查优先级形参范围
        if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        if((g = getThreadGroup()) != null) {
            //如果优先级形参大于线程组最大线程最大优先级
            if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
                //则使用线程组的优先级数据
                newPriority = g.getMaxPriority();
            }
            //调用本地设置线程优先级方法
            setPriority0(priority = newPriority);
        }
    }
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线程中断

有一个stop()实例方法可以强制终止线程,不过这个方法因为太过于暴力,已经被标记为过时方法,不建议程序员再使用,因为强制终止线程会导致数据不一致的问题。

这里关于线程中断的方法涉及三个:

//实例方法,通知线程中断,设置标志位
 public void interrupt(){}
 //静态方法,检查当前线程的中断状态,同时会清除当前线程的中断标志位状态
 public static boolean interrupted(){}
 //实例方法,检查当前线程是否被中断,其实是检查中断标志位
 public boolean isInterrupted(){}
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interrupt() 方法解析

/**
     * Interrupts this thread.
     *
     * <p> Unless the current thread is interrupting itself, which is
     * always permitted, the {@link #checkAccess() checkAccess} method
     * of this thread is invoked, which may cause a {@link
     * SecurityException} to be thrown.
     *
     * <p> If this thread is blocked in an invocation of the {@link
     * Object#wait() wait()}, {@link Object#wait(long) wait(long)}, or {@link
     * Object#wait(long, int) wait(long, int)} methods of the {@link Object}
     * class, or of the {@link #join()}, {@link #join(long)}, {@link
     * #join(long, int)}, {@link #sleep(long)}, or {@link #sleep(long, int)},
     * methods of this class, then its interrupt status will be cleared and it
     * will receive an {@link InterruptedException}.
     *
     * <p> If this thread is blocked in an I/O operation upon an {@link
     * java.nio.channels.InterruptibleChannel InterruptibleChannel}
     * then the channel will be closed, the thread's interrupt
     * status will be set, and the thread will receive a {@link
     * java.nio.channels.ClosedByInterruptException}.
     *
     * <p> If this thread is blocked in a {@link java.nio.channels.Selector}
     * then the thread's interrupt status will be set and it will return
     * immediately from the selection operation, possibly with a non-zero
     * value, just as if the selector's {@link
     * java.nio.channels.Selector#wakeup wakeup} method were invoked.
     *
     * <p> If none of the previous conditions hold then this thread's interrupt
     * status will be set. </p>
     *
     * <p> Interrupting a thread that is not alive need not have any effect.
     *
     * @throws  SecurityException
     *          if the current thread cannot modify this thread
     *
     * @revised 6.0
     * @spec JSR-51
     */
    public void interrupt() {
        //检查是否是自身调用
        if (this != Thread.currentThread())
            //检查安全权限,这可能导致抛出{@link * SecurityException}。
            checkAccess();
        
        //同步代码块
        synchronized (blockerLock) {
            Interruptible b = blocker;
            //检查是否是阻塞线程调用
            if (b != null) {
                //设置线程中断标志位
                interrupt0(); 
                //此时抛出异常,将中断标志位设置为false,此时我们正常会捕获该异常,重新设置中断标志位
                b.interrupt(this);
                return;
            }
        }
        //如无意外,则正常设置中断标志位
        interrupt0();
    }
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  • 线程中断方法不会使线程立即退出,而是给线程发送一个通知,告知目标线程,有人希望你退出啦~
  • 只能由自身调用,否则可能会抛出 SecurityException
  • 调用中断方法是由目标线程自己决定是否中断,而如果同时调用了wait,join,sleep等方法,会使当前线程进入阻塞状态,此时有可能发生InterruptedException异常
  • 被阻塞的线程再调用中断方法是不合理的
  • 中断不活动的线程不会产生任何影响

检查线程是否被中断:

    /**
     * Tests whether this thread has been interrupted.  The <i>interrupted
     * status</i> of the thread is unaffected by this method.
     
     测试此线程是否已被中断。, 线程的<i>中断*状态</ i>不受此方法的影响。
     *
     * <p>A thread interruption ignored because a thread was not alive
     * at the time of the interrupt will be reflected by this method
     * returning false.
     *
     * @return  <code>true</code> if this thread has been interrupted;
     *          <code>false</code> otherwise.
     * @see     #interrupted()
     * @revised 6.0
     */
    public boolean isInterrupted() {
        return isInterrupted(false);
    }
复制代码

静态方法,会清空当前线程的中断标志位:

   /**
     *测试当前线程是否已被中断。, 此方法清除线程的* <i>中断状态</ i>。, 换句话说,如果要连续两次调用此方法,则* second调用将返回false(除非当前线程再次被中断,在第一次调用已清除其中断的*状态   之后且在第二次调用已检查之前), 它)
     *
     * <p>A thread interruption ignored because a thread was not alive
     * at the time of the interrupt will be reflected by this method
     * returning false.
     *
     * @return  <code>true</code> if the current thread has been interrupted;
     *          <code>false</code> otherwise.
     * @see #isInterrupted()
     * @revised 6.0
     */
    public static boolean interrupted() {
        return currentThread().isInterrupted(true);
    }

复制代码

总结

记录自己阅读Thread类源码的一些思考,不过对于其中用到的很多本地方法只能望而却步,还有一些代码没有看明白,暂且先这样吧,如果有不足之处,请留言告知我,谢谢!后续会在实践中对Thread做出更多总结记录。

最后

由于篇幅较长,暂且先记录这些吧,后续会不定期更新原创文章,欢迎关注公众号 「张少林同学」!

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