從原始碼的角度再學「Thread」

前言

Java中的執行緒是使用Thread類實現的，Thread在初學Java的時候就學過了，也在實踐中用過，不過一直沒從原始碼的角度去看過它的實現，今天從原始碼的角度出發，再次學習Java Thread，願此後對Thread的實踐更加得心應手。

從註釋開始

相信閱讀過JDK原始碼的同學都能感受到JDK原始碼中有非常詳盡的註釋，閱讀某個類的原始碼應當先看看註釋對它的介紹，註釋原文就不貼了，以下是我對它的總結：

• Thread是程式中執行的執行緒，Java虛擬機器允許應用程式同時允許多個執行執行緒

• 每個執行緒都有優先順序的概念，具有較高優先順序的執行緒優先於優先順序較低的執行緒執行

• 每個執行緒都可以被設定為守護執行緒

• 當在某個執行緒中執行的程式碼建立一個新的Thread物件時，新的執行緒優先順序跟建立執行緒一致

• 當Java虛擬機器啟動的時候都會啟動一個叫做main的執行緒，它沒有守護執行緒，main執行緒會繼續執行，直到以下情況傳送

  • Runtime 類的退出方法exit被呼叫並且安全管理器允許進行退出操作
  • 所有非守護執行緒均已死亡，或者run方法執行結束正常返回結果，或者run方法丟擲異常

• 建立執行緒第一種方式：繼承Thread類，重寫run方法

  //定義執行緒類
  class PrimeThread extends Thread {
        long minPrime;
        PrimeThread(long minPrime) {
            this.minPrime = minPrime;
        }
        public void run() {
            // compute primes larger than minPrime
             . . .
        }
    }
  //啟動執行緒
  PrimeThread p = new PrimeThread(143);
  p.start();
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• 建立執行緒第二種方式：實現Runnable介面，重寫run方法，因為Java的單繼承限制，通常使用這種方式建立執行緒更加靈活

  //定義執行緒
   class PrimeRun implements Runnable {
        long minPrime;
        PrimeRun(long minPrime) {
            this.minPrime = minPrime;
        }
        public void run() {
            // compute primes larger than minPrime
             . . .
        }
    }
  //啟動執行緒
  PrimeRun p = new PrimeRun(143);
  new Thread(p).start();
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• 建立執行緒時可以給執行緒指定名字，如果沒有指定，會自動為它生成名字

• 除非另有說明，否則將null引數傳遞給Thread類中的建構函式或方法將導致丟擲 NullPointerException

Thread 常用屬性

閱讀一個Java類，先從它擁有哪些屬性入手：

//執行緒名稱，建立執行緒時可以指定執行緒的名稱
private volatile String name;

//執行緒優先順序，可以設定執行緒的優先順序
private int priority;

//可以配置執行緒是否為守護執行緒，預設為false
private boolean daemon = false;

//最終執行執行緒任務的`Runnable`
private Runnable target;

//描述執行緒組的類
private ThreadGroup group;

//此執行緒的上下文ClassLoader
private ClassLoader contextClassLoader;

//所有初始化執行緒的數目，用於自動編號匿名執行緒，當沒有指定執行緒名稱時，會自動為其編號
private static int threadInitNumber;

//此執行緒請求的堆疊大小，如果建立者沒有指定堆疊大小，則為0。, 虛擬機器可以用這個數字做任何喜歡的事情。, 一些虛擬機器會忽略它。
private long stackSize;

//執行緒id
private long tid;

//用於生成執行緒ID
private static long threadSeqNumber;

//執行緒狀態
private volatile int threadStatus = 0;

//執行緒可以擁有的最低優先順序
public final static int MIN_PRIORITY = 1;

//分配給執行緒的預設優先順序。
public final static int NORM_PRIORITY = 5;

//執行緒可以擁有的最大優先順序
public final static int MAX_PRIORITY = 10;
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所有的屬性命名都很語義化，其實已看名稱基本就猜到它是幹嘛的了，難度不大～～

Thread 構造方法

瞭解了屬性之後，看看Thread例項是怎麼構造的？先預覽下它大致有多少個構造方法：

檢視每個構造方法內部原始碼，發現均呼叫的是名為init的私有方法，再看init方法有兩個過載，而其核心方法如下：

   /**
     * Initializes a Thread.
     *
     * @param g                   執行緒組
     * @param target              最終執行任務的 `run()` 方法的物件
     * @param name                新執行緒的名稱
     * @param stackSize           新執行緒所需的堆疊大小，或者 0 表示要忽略此引數
     * @param acc                 要繼承的AccessControlContext，如果為null，則為 AccessController.getContext()
     * @param inheritThreadLocals 如果為 true，從構造執行緒繼承可繼承的執行緒區域性的初始值
     */
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        //執行緒名稱為空，直接丟擲空指標異常
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException("name cannot be null");
        }
        //初始化當前執行緒物件的執行緒名稱
        this.name = name;
        //獲取當前正在執行的執行緒為父執行緒
        Thread parent = currentThread();
        //獲取系統安全管理器
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        //如果執行緒組為空
        if (g == null) {
            //如果安全管理器不為空
            if (security != null) {
                //獲取SecurityManager中的執行緒組
                g = security.getThreadGroup();
            }
            //如果獲取的執行緒組還是為空
            if (g == null) {
                //則使用父執行緒的執行緒組
                g = parent.getThreadGroup();
            }
        }
        
        //檢查安全許可權
        g.checkAccess();

        //使用安全管理器檢查是否有許可權
        if (security != null) {
            if (isCCLOverridden(getClass())) {
                security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
            }
        }
        
        //執行緒組中標記未啟動的執行緒數+1，這裡方法是同步的，防止出現執行緒安全問題
        g.addUnstarted();
        
        //初始化當前執行緒物件的執行緒組
        this.group = g;
        //初始化當前執行緒物件的是否守護執行緒屬性，注意到這裡初始化時跟父執行緒一致
        this.daemon = parent.isDaemon();
        //初始化當前執行緒物件的執行緒優先順序屬性，注意到這裡初始化時跟父執行緒一致
        this.priority = parent.getPriority();
        //這裡初始化類載入器
        if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
            this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
        else
            this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
        this.inheritedAccessControlContext =
                acc != null ? acc : AccessController.getContext();
        //初始化當前執行緒物件的最終執行任務物件
        this.target = target;
        //這裡再對執行緒的優先順序欄位進行處理
        setPriority(priority);
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
        //初始化當前執行緒物件的堆疊大小
        this.stackSize = stackSize;

        //初始化當前執行緒物件的執行緒ID，該方法是同步的，內部實際上是threadSeqNumber++
        tid = nextThreadID();
    }
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另一個過載init私有方法如下，實際上內部呼叫的是上述init方法：

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize) {
        init(g, target, name, stackSize, null, true);
    }
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接下來看看所有構造方法：

1. 空構造方法

    public Thread() {
           init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
       }
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   內部呼叫的是init第二個過載方法，引數基本都是預設值，執行緒名稱寫死為"Thread-" + nextThreadNum()格式，nextThreadNum()為一個同步方法，內部維護一個靜態屬性表示執行緒的初始化數量+1：

    private static int threadInitNumber;
       private static synchronized int nextThreadNum() {
           return threadInitNumber++;
       }
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2. 自定義執行任務Runnable物件的構造方法

   public Thread(Runnable target) {
       init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
   }
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   與第一個構造方法區別在於可以自定義Runnable物件

3. 自定義執行任務Runnable物件和AccessControlContext物件的構造方法

    Thread(Runnable target, AccessControlContext acc) {
       init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0, acc, false);
   }
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4. 自定義執行緒組ThreadGroup和執行任務Runnable物件的構造方法

   public Thread(ThreadGroup group, Runnable target) {
       init(group, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
   }
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5. 自定義執行緒名稱name的構造方法

    public Thread(String name) {
       init(null, null, name, 0);
   }
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6. 自定義執行緒組ThreadGroup和執行緒名稱name的構造方法

    public Thread(ThreadGroup group, String name) {
       init(group, null, name, 0);
   }
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7. 自定義執行任務Runnable物件和執行緒名稱name的構造方法

    public Thread(Runnable target, String name) {
       init(null, target, name, 0);
   }
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8. 自定義執行緒組ThreadGroup和執行緒名稱name和執行任務Runnable物件的構造方法

     public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
       init(group, target, name, 0);
   }
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9. 全部屬性都是自定義的構造方法

     public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name,
                 long stackSize) {
       init(group, target, name, stackSize);
   }
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Thread提供了非常靈活的過載構造方法，方便開發者自定義各種引數的Thread物件。

常用方法

這裡記錄一些比較常見的方法吧，對於Thread中存在的一些本地方法，我們暫且不用管它～

設定執行緒名稱

設定執行緒名稱，該方法為同步方法，為了防止出現執行緒安全問題，可以手動呼叫Thread的例項方法設定名稱，也可以在構造Thread時在構造方法中傳入執行緒名稱，我們通常都是在構造引數時設定

   public final synchronized void setName(String name) {
         //檢查安全許可權
          checkAccess();
         //如果形參為空，丟擲空指標異常
          if (name == null) {
              throw new NullPointerException("name cannot be null");
          }
  	  //給當前執行緒物件設定名稱
          this.name = name;
          if (threadStatus != 0) {
              setNativeName(name);
          }
      }
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獲取執行緒名稱

內部直接返回當前執行緒物件的名稱屬性

  public final String getName() {
        return name;
    }
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啟動執行緒

public synchronized void start() {
        //如果不是剛建立的執行緒，丟擲異常
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();

        //通知執行緒組，當前執行緒即將啟動，執行緒組當前啟動執行緒數+1，未啟動執行緒數-1
        group.add(this);
        
        //啟動標識
        boolean started = false;
        try {
            //直接呼叫本地方法啟動執行緒
            start0();
            //設定啟動標識為啟動成功
            started = true;
        } finally {
            try {
                //如果啟動呢失敗
                if (!started) {
                    //執行緒組內部移除當前啟動的執行緒數量-1，同時啟動失敗的執行緒數量+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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我們正常的啟動執行緒都是呼叫Thread的start()方法，然後Java虛擬機器內部會去呼叫Thred的run方法，可以看到Thread類也是實現Runnable介面，重寫了run方法的：

 @Override
    public void run() {
        //當前執行任務的Runnable物件不為空，則呼叫其run方法
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }
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Thread的兩種使用方式：

• 繼承Thread類，重寫run方法，那麼此時是直接執行run方法的邏輯，不會使用target.run();
• 實現Runnable介面，重寫run方法，因為Java的單繼承限制，通常使用這種方式建立執行緒更加靈活，這裡真正的執行邏輯就會交給自定義Runnable去實現

設定守護執行緒

本質操作是設定daemon屬性

public final void setDaemon(boolean on) {
        //檢查是否有安全許可權
        checkAccess();
        //本地方法，測試此執行緒是否存活。, 如果一個執行緒已經啟動並且尚未死亡，則該執行緒處於活動狀態
        if (isAlive()) {
            //如果執行緒先啟動後再設定守護執行緒，將丟擲異常
            throw new IllegalThreadStateException();
        }
        //設定當前守護執行緒屬性
        daemon = on;
    }
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判斷執行緒是否為守護執行緒

 public final boolean isDaemon() {
        //直接返回當前物件的守護執行緒屬性
        return daemon;
    }
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執行緒狀態

先來個執行緒狀態圖：

獲取執行緒狀態：

 public State getState() {
        //由虛擬機器實現，獲取當前執行緒的狀態
        return sun.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
    }
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執行緒狀態主要由內部列舉類State組成：

  public enum State {
      
        NEW,

      
        RUNNABLE,

      
        BLOCKED,

       
        WAITING,

       
        TIMED_WAITING,

       
        TERMINATED;
    }
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• NEW：剛剛建立，尚未啟動的執行緒處於此狀態
• RUNNABLE：在Java虛擬機器中執行的執行緒處於此狀態
• BLOCKED：被阻塞等待監視器鎖的執行緒處於此狀態，比如執行緒在執行過程中遇到synchronized同步塊，就會進入此狀態，此時執行緒暫停執行，直到獲得請求的鎖
• WAITING：無限期等待另一個執行緒執行特定操作的執行緒處於此狀態
  • 通過 wait() 方法等待的執行緒在等待 notify() 方法
  • 通過 join() 方法等待的執行緒則會等待目標執行緒的終止
• TIMED_WAITING：正在等待另一個執行緒執行動作，直到指定等待時間的執行緒處於此狀態
  • 通過 wait() 方法，攜帶超時時間，等待的執行緒在等待 notify() 方法
  • 通過 join() 方法，攜帶超時時間，等待的執行緒則會等待目標執行緒的終止
• TERMINATED：已退出的執行緒處於此狀態，此時執行緒無法再回到 RUNNABLE 狀態

執行緒休眠

這是一個靜態的本地方法，使當前執行的執行緒休眠暫停執行 millis 毫秒，當休眠被中斷時會丟擲InterruptedException中斷異常

    /**
     * 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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檢查執行緒是否存活

本地方法，測試此執行緒是否存活。 如果一個執行緒已經啟動並且尚未死亡，則該執行緒處於活動狀態。

    /**
     * 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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執行緒優先順序

• 設定執行緒優先順序

    /**
     * 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) {
        //執行緒組
        ThreadGroup g;
        //檢查安全許可權
        checkAccess();
        //檢查優先順序形參範圍
        if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        if((g = getThreadGroup()) != null) {
            //如果優先順序形參大於執行緒組最大執行緒最大優先順序
            if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
                //則使用執行緒組的優先順序資料
                newPriority = g.getMaxPriority();
            }
            //呼叫本地設定執行緒優先順序方法
            setPriority0(priority = newPriority);
        }
    }
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執行緒中斷

有一個stop()例項方法可以強制終止執行緒，不過這個方法因為太過於暴力，已經被標記為過時方法，不建議程式設計師再使用，因為強制終止執行緒會導致資料不一致的問題。

這裡關於執行緒中斷的方法涉及三個：

//例項方法，通知執行緒中斷，設定標誌位
 public void interrupt(){}
 //靜態方法，檢查當前執行緒的中斷狀態，同時會清除當前執行緒的中斷標誌位狀態
 public static boolean interrupted(){}
 //例項方法，檢查當前執行緒是否被中斷，其實是檢查中斷標誌位
 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() {
        //檢查是否是自身呼叫
        if (this != Thread.currentThread())
            //檢查安全許可權,這可能導致丟擲{@link * SecurityException}。
            checkAccess();
        
        //同步程式碼塊
        synchronized (blockerLock) {
            Interruptible b = blocker;
            //檢查是否是阻塞執行緒呼叫
            if (b != null) {
                //設定執行緒中斷標誌位
                interrupt0(); 
                //此時丟擲異常，將中斷標誌位設定為false,此時我們正常會捕獲該異常，重新設定中斷標誌位
                b.interrupt(this);
                return;
            }
        }
        //如無意外，則正常設定中斷標誌位
        interrupt0();
    }
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• 執行緒中斷方法不會使執行緒立即退出，而是給執行緒傳送一個通知，告知目標執行緒，有人希望你退出啦～
• 只能由自身呼叫，否則可能會丟擲 SecurityException
• 呼叫中斷方法是由目標執行緒自己決定是否中斷，而如果同時呼叫了wait,join,sleep等方法，會使當前執行緒進入阻塞狀態，此時有可能發生InterruptedException異常
• 被阻塞的執行緒再呼叫中斷方法是不合理的
• 中斷不活動的執行緒不會產生任何影響

檢查執行緒是否被中斷:

    /**
     * Tests whether this thread has been interrupted.  The <i>interrupted
     * status</i> of the thread is unaffected by this method.
     
     測試此執行緒是否已被中斷。, 執行緒的<i>中斷*狀態</ i>不受此方法的影響。
     *
     * <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);
    }
複製程式碼

靜態方法,會清空當前執行緒的中斷標誌位：

   /**
     *測試當前執行緒是否已被中斷。, 此方法清除執行緒的* <i>中斷狀態</ i>。, 換句話說，如果要連續兩次呼叫此方法，則* second呼叫將返回false（除非當前執行緒再次被中斷，在第一次呼叫已清除其中斷的*狀態   之後且在第二次呼叫已檢查之前）, 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);
    }

複製程式碼

總結

記錄自己閱讀Thread類原始碼的一些思考，不過對於其中用到的很多本地方法只能望而卻步，還有一些程式碼沒有看明白，暫且先這樣吧，如果有不足之處，請留言告知我，謝謝！後續會在實踐中對Thread做出更多總結記錄。

最後

由於篇幅較長，暫且先記錄這些吧，後續會不定期更新原創文章，歡迎關注公眾號 「張少林同學」！