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jvm 线程实现

2020年03月16日

使用

C语言下的线程使用

看看C语言下写多线程程序什么感觉

#include <stddef.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>		//用到了pthread库
#include <string.h>
void print_msg(char *ptr);
int main(){
    pthread_t thread1, thread2;
    int i,j;
    char *msg1="do sth1\n";
    char *msg2="do sth2\n";
    pthread_create(&thread1,NULL, (void *)(&print_msg), (void *)msg1);
    pthread_create(&thread2,NULL, (void *)(&print_msg), (void *)msg2);
    sleep(1);
    return 0;
}
void  print_msg(char *ptr){
    int retval;
    int id=pthread_self();
    printf("Thread ID: %x\n",id);
    printf("%s",ptr);
    // 一个运行中的线程可以调用 pthread_exit 退出线程, 参数表示线程的返回值
    pthread_exit(&retval);
}

pthread_create 四个参数

  1. 线程对象
  2. 线程的属性,比如线程栈大小
  3. 线程运行函数
  4. 线程运行函数的参数

从c语言中线程的代码实例和操作系统的基本原理(进程通常是执行一个命令,或者是fork),我们可以看到,线程可以简单的认为是在并发执行一个函数(pthread_create类似于go 代码中常见的go function(){xxx})。

java 下的线程使用

  1. 创建它:继承Thread,实现Runnable,实现TimerTask(现在不推荐)
  2. 启动它:start
  3. 暂停它(唤醒它):sleep(自动唤醒),wait和notify
  4. 停止它(取消它):

    a. interrupt,注意这种停止并不是抢占式的,代码中要遵守一定的约定。 java exception

    b. 设置一个变量(显式的interrupt)

     class thread{
         public boolean isRun = "true";
         void run(){
              while(isRun){
                  xx
              }
         }
         void stop(){
             isRun = false;
         }
     }  c. unsafe.park
    

jvm层实现

从Java到C++,以JVM的角度看Java线程的创建与运行

  1. JavaThread: JVM中C++定义的类,一个JavaThread的instance代表了在JVM中的java.lang.Thread的instance, 它维护了线程的状态,并且维护一个指针指向java.lang.Thread创建的对象(oop)。它同时还维护了一个指针指向对应的OSThread,来获取底层操作系统创建的osthread的状态
  2. OSThread: JVM中C++定义的类,代表了JVM中对底层操作系统的osthread的抽象,它维护着实际操作系统创建的线程句柄handle,可以获取底层osthread的状态
  3. VMThread: JVM中C++定义的类,这个类和用户创建的线程无关,是JVM本身用来进行虚拟机操作的线程,比如GC

聊聊 Java 并发——基石篇(上)在创建一个 Thread 对象的时候,除了一些初始化设置之外就没有什么实质性的操作,真正的工作其实是在 start 方法调用中产生的。start() 方法最终调用的是 start0() 这个本地方法,查阅 jdk 源码知道,start0() 方法映射到了 JVM_StartThread 这个方法中,在 hotspot\src\share\vm\prims\jvm.cpp

线程的状态

Understanding Linux Process States

进程的基本状态 Linux Java
运行 TASK_RUNNING  
就绪   RUNNABLE
阻塞 TASK_INTERRUPTIBLE
TASK_UNINTERRUPTIBLE
BLOCKED
WAITING
TIMED_WAITING
退出 TASK_STOPPED/TASK_TRACED
TASK_DEAD/EXIT_ZOMBIE
TERMINATED

在 POSIX 标准中(POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准),thread_block 接受一个参数 stat ,这个参数也有三种类型,TASK_BLOCKED, TASK_WAITING, TASK_HANGING,而调度器只会对线程状态为 READY 的线程执行调度,另外一点是线程的阻塞是线程自己操作的,相当于是线程主动让出 CPU 时间片,所以等线程被唤醒后,他的剩余时间片不会变,该线程只能在剩下的时间片运行,如果该时间片到期后线程还没结束,该线程状态会由 RUNNING 转换为 READY ,等待调度器的下一次调度。

Java和操作系统交互细节对进程而言,就三种状态,就绪,运行,阻塞,而在 JVM 中,阻塞有四种类型,我们可以通过 jstack 生成 dump 文件查看线程的状态

  1. BLOCKED (on object monitor) 通过 synchronized(obj) 同步块获取锁的时候,等待其他线程释放对象锁,dump 文件会显示 waiting to lock <0x00000000e1c9f108>
  2. TIMED WAITING (on object monitor) 和 WAITING (on object monitor) 在获取锁后,调用了 object.wait() 等待其他线程调用 object.notify(),两者区别是是否带超时时间
  3. TIMED WAITING (sleeping) 程序调用了 thread.sleep(),这里如果 sleep(0) 不会进入阻塞状态,会直接从运行转换为就绪
  4. TIMED WAITING (parking) 和 WAITING (parking) 程序调用了 Unsafe.park(),线程被挂起,等待某个条件发生,waiting on condition

从linux内核来看, BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING都是等待状态。做这样的区分,是jvm出于管理的需要(两个原因的线程放两个队列里管理,如果线程运行出了synchronized这段代码,jvm只需要去blocked队列放一个线程出来。而某人调用了notify(),jvm只需要去waitting队列里取个出来。),本质上是:who when how唤醒线程。

Java线程中wait状态和block状态的区别? - 赵老师的回答 - 知乎

从上到下 常规java code synchronized java code volatile java code
编译 编译器加点私货 monitor enter/exist 除了其变量定义的时候有一个Volatile外,之后的字节码跟有无Volatile完全一样
  class 字节码 扩充后的class 字节码  
运行 jvm加点私货 锁升级:自旋/偏向锁/轻量级锁/重量级锁  
  机器码 扩充后的机器码 加入了lock指令,查询IA32手册,它的作用是使得本CPU的Cache写入了内存,该写入动作也会引起别的CPU invalidate其Cache
用户态      
  系统调用 mutex系统调用  
内核态      
    可能用到了 semaphore struct  
    线程加入等待队列 + 修改自己的状态 + 触发调度  

其它

设置多少线程数

多线程到底该设置多少个线程?

  1. CPU 密集型任务, N(CPU 核心数)+1,比 CPU 核心数多出来的一个线程是为了防止线程偶发的缺页中断,或者其它原因导致的任务暂停而带来的影响。
  2. I/O 密集型任务,这种任务应用起来,系统会用大部分的时间来处理 I/O 交互,而线程在处理 I/O 的时间段内不会占用 CPU 来处理,这时就可以将 CPU 交出给其它线程使用。因此在 I/O 密集型任务的应用中,我们可以多配置一些线程,具体的计算方法是 2N。

我们编码的时候可能不确定运行在什么样的硬件环境中,可以通过 Runtime.getRuntime().availableProcessors() 获取 CPU 核心。

程序设计的5个底层逻辑,决定你能走多快 具体设置多少线程数,主要和线程内运行的任务中的阻塞时间有关系,如果任务中全部是计算密集型,那么只需要设置 CPU 核心数的线程就可以达到 CPU 利用率最高,如果设置的太大,反而因为线程上下文切换影响性能,如果任务中有阻塞操作,而在阻塞的时间就可以让 CPU 去执行其他线程里的任务,我们可以通过 线程数量=内核数量 / (1 - 阻塞率)这个公式去计算最合适的线程数,阻塞率我们可以通过计算任务总的执行时间和阻塞的时间获得。

目前微服务架构下有大量的RPC调用,所以利用多线程可以大大提高执行效率,我们可以借助分布式链路监控来统计RPC调用所消耗的时间,而这部分时间就是任务中阻塞的时间,当然为了做到极致的效率最大,我们需要设置不同的值然后进行测试。

jvm内部工作线程

java 内部工作线程介绍哪怕仅仅 简单的跑一个hello world ,java 进程也会创建如下线程

"Low Memory Detector" 
"CompilerThread0"
"Signal Dispatcher"
"Finalizer"
"Reference Handler"
"main" 
"VM Thread"
"VM Periodic Task Thread"

笔者有一次,试验一个小程序,main 函数运行完毕后,idea 显示 java 进程并没有退出,笔者还以为是出了什么bug。thread dump之后,发现一个thread pool线程在waiting,才反应过来是因为thread pool 没有shutdown。进而Java中的main线程是不是最后一个退出的线程

  1. JVM会在所有的非守护线程(用户线程)执行完毕后退出;
  2. main线程是用户线程;
  3. 仅有main线程一个用户线程执行完毕,不能决定JVM是否退出,也即是说main线程并不一定是最后一个退出的线程。

这也是为什么thread pool 若没有shutdown,则java 进程不会退出的原因。