一文講盡Thread類的原始碼精髓
摘要：今天，我們就一起來簡單看看Thread類的原始碼。
本文分享自華為雲社群《【高併發】Thread類的原始碼精髓》，作者：冰 河。
前言
最近和一個朋友聊天，他跟我說起了他去XXX公司面試的情況，面試官的一個問題把他打懵了！竟然問他：你經常使用Thread建立執行緒，那你看過Thread類的原始碼嗎？我這個朋友自然是沒看過Thread類的原始碼，然後，就沒有然後了！！！
所以，我們學習技術不僅需要知其然，更需要知其所以然，今天，我們就一起來簡單看看Thread類的原始碼。
注意：本文是基於JDK 1.8來進行分析的。
Thread類的繼承關係
我們可以使用下圖來表示Thread類的繼承關係。
由上圖我們可以看出，Thread類實現了Runnable介面，而Runnable在JDK 1.8中被@FunctionalInterface註解標記為函式式介面，Runnable介面在JDK 1.8中的原始碼如下所示。
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
public abstract void run();
}Runnable介面的原始碼比較簡單，只是提供了一個run()方法，這裡就不再贅述了。
接下來，我們再來看看@FunctionalInterface註解的原始碼，如下所示。
@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.TYPE)
public @interface FunctionalInterface {}可以看到，@FunctionalInterface註解宣告標記在Java類上，並在程式執行時生效。
Thread類的原始碼剖析
Thread類定義
Thread在java.lang包下，Thread類的定義如下所示。
public class Thread implements Runnable {載入本地資源
開啟Thread類後，首先，我們會看到在Thread類的最開始部分，定義了一個靜態本地方法registerNatives()，這個方法主要用來註冊一些本地系統的資源。並在靜態程式碼塊中呼叫這個本地方法，如下所示。
//定義registerNatives()本地方法註冊系統資源
private static native void registerNatives();
static {
//在靜態程式碼塊中呼叫註冊本地系統資源的方法
registerNatives();
}Thread中的成員變數
Thread類中的成員變數如下所示。
//當前執行緒的名稱
private volatile String name;
//執行緒的優先順序
private int priority;
private Thread threadQ;
private long eetop;
//當前執行緒是否是單步執行緒
private boolean single_step;
//當前執行緒是否在後臺執行
private boolean daemon = false;
//Java虛擬機器的狀態
private boolean stillborn = false;
//真正線上程中執行的任務
private Runnable target;
//當前執行緒所在的執行緒組
private ThreadGroup group;
//當前執行緒的類載入器
private ClassLoader contextClassLoader;
//訪問控制上下文
private AccessControlContext inheritedAccessControlContext;
//為匿名執行緒生成名稱的編號
private static int threadInitNumber;
//與此執行緒相關的ThreadLocal,這個Map維護的是ThreadLocal類
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
//與此執行緒相關的ThreadLocal
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
//當前執行緒請求的堆疊大小，如果未指定堆疊大小，則會交給JVM來處理
private long stackSize;
//執行緒終止後存在的JVM私有狀態
private long nativeParkEventPointer;
//執行緒的id
private long tid;
//用於生成執行緒id
private static long threadSeqNumber;
//當前執行緒的狀態，初始化為0，代表當前執行緒還未啟動
private volatile int threadStatus = 0;
//由（私有）java.util.concurrent.locks.LockSupport.setBlocker設定
//使用java.util.concurrent.locks.LockSupport.getBlocker訪問
volatile Object parkBlocker;
//Interruptible介面中定義了interrupt方法，用來中斷指定的執行緒
private volatile Interruptible blocker;
//當前執行緒的內部鎖
private final Object blockerLock = new Object();
//執行緒擁有的最小優先順序
public final static int MIN_PRIORITY = 1;
//執行緒擁有的預設優先順序
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
//執行緒擁有的最大優先順序
public final static int MAX_PRIORITY = 10;從Thread類的成員變數，我們可以看出，Thread類本質上不是一個任務，它是一個實實在在的執行緒物件，在Thread類中擁有一個Runnable型別的成員變數target，而這個target成員變數就是需要在Thread執行緒物件中執行的任務。
執行緒的狀態定義
在Thread類的內部，定義了一個列舉State，如下所示。
public enum State {
//初始化狀態
NEW,
//可執行狀態，此時的可執行包括執行中的狀態和就緒狀態
RUNNABLE,
//執行緒阻塞狀態
BLOCKED,
//等待狀態
WAITING,
//超時等待狀態
TIMED_WAITING,
//執行緒終止狀態
TERMINATED;
}這個列舉類中的狀態就代表了執行緒生命週期的各狀態。我們可以使用下圖來表示執行緒各個狀態之間的轉化關係。
- NEW：初始狀態，執行緒被構建，但是還沒有呼叫start()方法。
- RUNNABLE：可執行狀態，可執行狀態可以包括：執行中狀態和就緒狀態。
- BLOCKED：阻塞狀態，處於這個狀態的執行緒需要等待其他執行緒釋放鎖或者等待進入synchronized。
- WAITING：表示等待狀態，處於該狀態的執行緒需要等待其他執行緒對其進行通知或中斷等操作，進而進入下一個狀態。
- TIME_WAITING：超時等待狀態。可以在一定的時間自行返回。
- TERMINATED：終止狀態，當前執行緒執行完畢。
Thread類的構造方法
Thread類中的所有構造方法如下所示。
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，我們最經常使用的就是如下幾個構造方法了。
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);
}通過Thread類的原始碼，我們可以看出，Thread類在進行初始化的時候，都是呼叫的init()方法，接下來，我們看看init()方法是個啥。
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) {
//執行緒的名稱為空，丟擲空指標異常
if (name == null) {
throw new NullPointerException("name cannot be null");
}
this.name = name;
Thread parent = currentThread();
//獲取系統安全管理器
SecurityManager security = System.getSecurityManager();
//執行緒組為空
if (g == null) {
//獲取的系統安全管理器不為空
if (security != null) {
//從系統安全管理器中獲取一個執行緒分組
g = security.getThreadGroup();
}
//執行緒分組為空，則從父執行緒獲取
if (g == null) {
g = parent.getThreadGroup();
}
}
//檢查執行緒組的訪問許可權
g.checkAccess();
//檢查許可權
if (security != null) {
if (isCCLOverridden(getClass())) {
security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
}
}
g.addUnstarted();
//當前執行緒繼承父執行緒的相關屬性
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;
//設定執行緒id
tid = nextThreadID();
}Thread類中的構造方法是被建立Thread執行緒的執行緒呼叫的，此時，呼叫Thread的構造方法建立執行緒的執行緒就是父執行緒，在init()方法中，新建立的Thread執行緒會繼承父執行緒的部分屬性。
run()方法
既然Thread類實現了Runnable介面，則Thread類就需要實現Runnable介面的run()方法，如下所示。
@Override
public void run() {
if (target != null) {
target.run();
}
}可以看到，Thread類中的run()方法實現非常簡單，只是呼叫了Runnable物件的run()方法。所以，真正的任務是執行在run()方法中的。另外，需要注意的是：直接呼叫Runnable介面的run()方法不會建立新執行緒來執行任務，如果需要建立新執行緒執行任務，則需要呼叫Thread類的start()方法。
start()方法
public synchronized void start() {
//執行緒不是初始化狀態，則直接丟擲異常
if (threadStatus != 0)
throw new IllegalThreadStateException();
//添加當前啟動的執行緒到執行緒組
group.add(this);
//標記執行緒是否已經啟動
boolean started = false;
try {
//呼叫本地方法啟動執行緒
start0();
//將執行緒是否啟動標記為true
started = true;
} finally {
try {
//執行緒未啟動成功
if (!started) {
//將執行緒線上程組裡標記為啟動失敗
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();從start()方法的原始碼，我們可以看出：start()方法使用synchronized關鍵字修飾，說明start()方法是同步的，它會在啟動執行緒前檢查執行緒的狀態，如果不是初始化狀態，則直接丟擲異常。所以，一個執行緒只能啟動一次，多次啟動是會丟擲異常的。
這裡，也是面試的一個坑：面試官：【問題一】能不能多次呼叫Thread類的start()方法來啟動執行緒嗎？【問題二】多次呼叫Thread執行緒的start()方法會發生什麼？【問題三】為什麼會丟擲異常？
呼叫start()方法後，新建立的執行緒就會處於就緒狀態（如果沒有分配到CPU執行），當有空閒的CPU時，這個執行緒就會被分配CPU來執行，此時執行緒的狀態為執行狀態，JVM會呼叫執行緒的run()方法執行任務。
sleep()方法
sleep()方法可以使當前執行緒休眠，其程式碼如下所示。
//本地方法，真正讓執行緒休眠的方法
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++;
}
//呼叫本地方法
sleep(millis);
}sleep()方法會讓當前執行緒休眠一定的時間，這個時間通常是毫秒值，這裡需要注意的是：呼叫sleep()方法使執行緒休眠後，執行緒不會釋放相應的鎖。
join()方法
join()方法會一直等待執行緒超時或者終止，程式碼如下所示。
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()方法的使用場景往往是啟動執行緒執行任務的執行緒，呼叫執行執行緒的join()方法，等待執行執行緒執行任務，直到超時或者執行執行緒終止。
interrupt()方法
interrupt()方法是中斷當前執行緒的方法，它通過設定執行緒的中斷標誌位來中斷當前執行緒。此時，如果為執行緒設定了中斷標誌位，可能會丟擲InteruptedExeption異常，同時，會清除當前執行緒的中斷狀態。這種方式中斷執行緒比較安全，它能使正在執行的任務執行能夠繼續執行完畢，而不像stop()方法那樣強制執行緒關閉。程式碼如下所示。
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;
}
}
//呼叫本地方法中斷執行緒
interrupt0();
}
private native void interrupt0();總結
作為技術人員，要知其然，更要知其所以然，我那個朋友技術本身不錯，各種框架拿來就用，基本沒看過常用的框架原始碼和JDK中常用的API，屬於那種CRUD型程式設計師，這次面試就栽在了一個簡單的Thread類上，所以，大家在學會使用的時候，一定要了解下底層的實現才好啊！
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