Java线程映射到操作系统线程原理浅析-一一网

前言

之前看JVM内存结构时，看到了《深入理解JVM》这本书说“每个线程都有一个程序计数器，记录了当前执行字节码的位置”。但是想起来JVM的线程是委托OS实现的，或者说，Java线程映射到了OS线程，那这个PC记录的字节码指令位置到底是什么？

OS的线程那可是正儿八经的C线程，C线程的PC保存二进制指令的位置，他们是如何一一对应的？难道是每个字节码对应一个本地机器码吗？但是Java还有解释执行器这个东西，他是一条一条翻译的。?属实想了好久，后来在谷歌上翻了不少时间，勉强找到一些解释。

先声明一下，以下内容部分是我自己理解叙述的，可能会有谬误。

要求

1⃣️一个可以debug的JDK，一个谷歌。
2⃣️可以阅读C++代码。

过程

首先，我们先试着定义自己的Java线程。因为我昵称是CodeWithBuff嘛，所以前缀就是CWB：

/**
 * @author CodeWithBuff(给代码来点Buff)
 * @device iMacPro
 * @time 2021/6/29 1:27 下午
 */
public class CWBThread {

    private String msg;

    public CWBThread(String msg) {
        this.msg = msg;
    }

    public void run() {
        System.out.println(msg);
    }

    public void start() {
        start0();
    }

    private native void start0();
}
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我们模仿JVM，整个了start0()方法，它是native的，所以我们需要在C++里实现。使用它很简单：

new CWBThread("aaa").start();
复制代码

即可。

既然我们要模仿JVM，那就把线程的创建，销毁等操作，也学JVM一样，丢给OS去做！在这里我不打算学JVM在JDK里面添加动态链接库，而是通过JNI的方式来实现。

在终端输入：

javac /.../CWBThread.java -h /.../[目录]
复制代码

来生成我们需要实现的本地方法的头文件，不出意外你会得到这样的.h文件：

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class com_codewithbuff_javathread_CWBThread */

#ifndef _Included_com_codewithbuff_javathread_CWBThread
#define _Included_com_codewithbuff_javathread_CWBThread
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_codewithbuff_javathread_CWBThread
 * Method:    start0
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_codewithbuff_javathread_CWBThread_start0
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif
复制代码

然后就是实现它的方法了，我是用CLion编写，在此之前需要链接jni.h和jni_md.h两个文件，否则会失败。所以我的CMakeLists文件如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.19)
project(JavaThreadLearn)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)

# 这里改成你自己的文件位置和文件名
add_executable(JavaThreadLearn src/main/cpp/com_codewithbuff_javathread_CWBThread.h src/main/cpp/cwb_thread.cpp)
# 这里记得修改成你自己的JDK目录
include_directories(/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk-15.0.2.jdk/Contents/Home/include)
include_directories(/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk-15.0.2.jdk/Contents/Home/include/darwin)
复制代码

之后呢，我们就可以编写对应的cpp文件了，编写之后如下：

//
// Created by joker on 2021/6/29.
//
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include "com_codewithbuff_javathread_CWBThread.h"
using namespace std;

class CWBThreadWrapper {
private:
    JavaVM* javaVm;
    jobject cwbThreadObject;
    JNIEnv* attachToJVM();
public:
    CWBThreadWrapper(JNIEnv *env, jobject obj);
    void callRunMethod();
    ~CWBThreadWrapper();
};

JNIEnv *CWBThreadWrapper::attachToJVM() {
    JNIEnv *jniEnv;
    if (javaVm->AttachCurrentThread((void **)&jniEnv, nullptr) != 0) {
        cout << "Attach failed.\n";
    }
    return jniEnv;
}

CWBThreadWrapper::CWBThreadWrapper(JNIEnv *env, jobject obj) {
    env->GetJavaVM(&(this->javaVm));
    this->cwbThreadObject = env->NewGlobalRef(obj);
}

CWBThreadWrapper::~CWBThreadWrapper() {
    javaVm->DetachCurrentThread();
}

void CWBThreadWrapper::callRunMethod() {
    JNIEnv *env = attachToJVM();
    jclass clazz = env->GetObjectClass(this->cwbThreadObject);
    jmethodID methodId = env->GetMethodID(clazz, "run", "()V");
    if (methodId != nullptr) {
        env->CallVoidMethod(this->cwbThreadObject, methodId);
    } else {
        cout << "Can't find run() method.\n";
    }
}

void *thread_entry_pointer(void *args) {
    cout << "Start set thread entry pointer.\n";
    CWBThreadWrapper *cwbThreadWrapper = (CWBThreadWrapper *) args;
    cwbThreadWrapper->callRunMethod();
    delete cwbThreadWrapper;
    return nullptr;
}

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_codewithbuff_javathread_CWBThread_start0(JNIEnv *jniEnv, jobject cswThreadObject) {
    CWBThreadWrapper *cwbThreadWrapper = new CWBThreadWrapper(jniEnv, cswThreadObject);
    pthread_attr_t pthreadAttr;
    pthread_attr_init(&pthreadAttr);
    pthread_attr_setdetachstate(&pthreadAttr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    pthread_t pthread;
    if (pthread_create(&pthread, &pthreadAttr, thread_entry_pointer, cwbThreadWrapper)) {
        cout << "Create error.\n";
    } else {
        cout << "Start a linux thread.\n";
    }
}
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这代码阅读起来问题不大，就是一个简单的JNI本地方法调用。因为我们把线程的创建交给了pthread来完成，我们也不需要考虑为线程插入安全点，安全区域，解释器入口等JVM才有的操作，所以总代码不多，功能单一。

现在一切就绪，我们把这个cpp文件编译成平台相关的动态链接文件，因为我是macOS，所以后缀是jnilib，输入指令：

g++ -I[你的JDK的位置]/jdk-15.0.2.jdk/Contents/Home/include -I[你的JDK的位置]/jdk-15.0.2.jdk/Contents/Home/include/darwin -dynamiclib [你的cpp文件的位置]/cwb_thread.cpp -o libCWBThread.jnilib
复制代码

最后会生成一个jnilib的文件在你的C++工程文件夹下面。然后我们通过System.load()方法加载这个文件到JVM中去，JVM就可以为我们的native的start0()方法调用C++方法了。

如下所示：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        System.load("[你的C++工程位置]/libCWBThread.jnilib");
        new CWBThread("aaa").start();
        new CWBThread("bbb").start();
    }
}
复制代码

我们可以看到这样的输出：

此时我们通过在C++中创建一个线程，在线程中传入CWBThread的对象，然后通过这个对象调用它的run()方法来实现类似JVM的Thread创建运行。

总结

到此结束了吗？那我们一开始提的问题，又怎么回答呢？

现在我们通过我们创建的这个小的自定义线程来理一理：首先，pthread属于C的方法，JVM也无非是调用OS的thread create来创建线程，OS的底层实现也是pthread；其次，我们通过在pthread创建时传入我们的JavaThread对象，然后调用它的run()方法来实现线程中执行run()的功能；最后执行完毕，线程因为是C线程，由OS负责销毁，我们啥也没干就结束了。

现在我们忽略JVM在为JavaThread创建OS线程时插入的安全点等操作，单纯考虑最简单的功能。

众所周知Java是需要解释器的，一个字节码解释一下，执行一下(翻译成机器码执行)。但是解释器属于JVM的，线程又是映射到了OS线程，run()跑在pthread，也就是跑在C里，解释器是怎么工作的呢？这里我们先不谈JIT，JIT是为了翻译成热点代码提升效率存在的。

后来我在StackOverflow和知乎上找到了答案。

每个线程的执行分为两种：解释器直接执行+本地方法执行。如果是本地方法执行，解释器不做任何行为；如果是解释器执行，则解释执行当前字节码，如有必要，由JIT翻译成本地机器码运行。
Java字节码必须通过解释器执行，所以即使是在pthread中的run()方法，它所包含的字节码也必须由解释器执行。
(我的理解)解释器+run()是一起运行在pthread中的，它们俩组合运行，而不是run()单独跑在操作系统线程中，也不是多个run()共享一个解释器。解释器只是一个程序，相当于在run()之前插入一些代码，大概是这样的。

那些答案在强调Java只能以字节码+解释器执行，JIT只是把字节码中的热点代码编译成本地码加快速度，但不等于Java字节码可以直接跑在机器上(翻译之后可以)。既然Java字节码只能通过解释器运行，而run()里面保存的是字节码，那么由pthread运行的run()必然需要解释器介入。

顺带一提，对于方法调用，在同一线程中，只是解释器入口处的栈帧+字节码发生了替换而已。不同线程拥有自己的解释器，彼此独立；这里需要强调的是解释器是一个程序，不是一个实例对象，它位于线程最开始的地方，接受一个方法的栈帧+字节码作为参数，然后解释执行字节码。