JNI-从jvm源码分析Thread.interrupt的系统级别线程打断原理
2020-11-15 14:50 tera 阅读(1342) 评论(2) 编辑 收藏 举报前言
在java编程中，我们经常会调用Thread.sleep()方法使得线程停止运行一段时间，而Thread类中也提供了interrupt方法供我们去主动打断一个线程。那么线程挂起和打断的本质究竟是什么，本文就此问题作一个探究。
本文主要分为以下几个部分
1.interrupt的使用特点
2.jvm层面上interrupt方法的本质
3.ParkEvent对象的本质
4.Park()对象的本质
5.利用jni实现一个可以被打断的MyThread类
1.interrupt的使用特点
我们先看2个线程打断的示例
首先是可打断的情况：
@Test
public void interruptedTest() throws InterruptedException {
Thread sleep = new Thread(() -> {
try {
log.info("sleep thread start");
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
log.info("sleep thread end");
} catch (InterruptedException e) {
log.info("sleep thread interrupted");
}
}, "sleep_thread");
sleep.start();
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
log.info("ready to interrupt sleep");
sleep.interrupt();
}
我们创建了一个“sleep”线程，其中调用了会抛出InterruptedException异常的sleep方法。“sleep”线程启动100毫秒后，主线程调用其打断方法，此时输出如下：
09:50:39.312 [sleep_thread] INFO cn.tera.thread.ThreadTest - sleep thread start
09:50:39.412 [main] INFO cn.tera.thread.ThreadTest - ready to interrupt sleep
09:50:39.412 [sleep_thread] INFO cn.tera.thread.ThreadTest - sleep thread interrupted
可以看到“sleep”线程被打断后，抛出了InterruptedException异常，并直接进入了catch的逻辑。
接着我们看一个不可打断的情况：
@Test
public void normalTest() throws InterruptedException {
Thread normal = new Thread(() -> {
log.info("normal thread start");
int i = 0;
while (true) {
i++;
}
}, "normal_thread");
normal.start();
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
log.info("ready to interrupt normal");
normal.interrupt();
}
我们创建了一个“normal”线程，其中是一个死循环对i++，此时输出如下：
10:09:20.237 [normal_thread] INFO cn.tera.thread.ThreadTest - normal thread start
10:09:20.338 [main] INFO cn.tera.thread.ThreadTest - ready to interrupt normal
可以看到“normal”线程被打断后，并不会抛出异常，且会继续执行业务流程。
所以打断线程并非是任何时候都会生效的，那么我们就需要探究下interrupt究竟做了什么。
2.jvm层面上interrupt方法的本质
Thread.java
查看interrupt方法，其中的interrupt0()正是打断的主要方法
public void interrupt() {
if (this != Thread.currentThread())
checkAccess();
synchronized (blockerLock) {
Interruptible b = blocker;
if (b != null) {
//打断的主要方法，该方法的主要作用是设置一个打断标记
interrupt0();
b.interrupt(this);
return;
}
}
interrupt0();
}
查看interrupt0()方法：
private native void interrupt0();
因为interrupt0()是一个本地方法，所以要了解其的究竟做了什么，我们就需要深入到jvm中看源码。其中涉及到了jni相关的知识，有兴趣的同学可以参看我之前写的jni基础应用的文章。
JNI-从jvm源码分析Thread.start的调用与Thread.run的回调
首先我们还是需要下载open-jdk的源码，包括jdk和hotspot（jvm）
下载地址：http://hg.openjdk.java.net/jdk8
因为C和C++的代码对于java程序员来说比较晦涩难懂，所以在下方展示源码的时候我只会贴出我们关心的重点代码，其余的部分就省略了。
查看Thread.c：jdk源码目录src/java.base/share/native/libjava
找到如下代码：
static JNINativeMethod methods[] = {
...
{"interrupt0", "()V", (void *)&JVM_Interrupt}
...
};
可以看到interrupt0对应的jvm方法是JVM_Interrupt
查看jvm.cpp，hotspot目录src/share/vm/prims
可以找到JVM_Interrupt方法的实现，这个方法挺简单的：
JVM_ENTRY(void, JVM_Interrupt(JNIEnv* env, jobject jthread))
JVMWrapper("JVM_Interrupt");
...
if (thr != NULL) {
//执行线程打断操作
Thread::interrupt(thr);
}
JVM_END
查看thread.cpp，hotspot目录src/share/vm/runtime
找到interrupt方法：
void Thread::interrupt(Thread* thread) {
//执行os层面的打断
os::interrupt(thread);
}
查看os_posix.cpp，hotspot目录src/os/posix/vm
找到interrupt方法，这个方法正是打断的重点：
void os::interrupt(Thread* thread) {
...
//获得c++线程对应的系统线程
OSThread* osthread = thread->osthread();
//如果系统线程的打断标记是false，意味着还未被打断
if (!osthread->interrupted()) {
//将系统线程的打断标记设为true
osthread->set_interrupted(true);
//这个涉及到内存屏障，本文不展开
OrderAccess::fence();
//这里获取一个_SleepEvent，并调用其unpark()方法
ParkEvent * const slp = thread->_SleepEvent ;
if (slp != NULL) slp->unpark() ;
}
//这里依据JSR166标准，即使打断标记为true，依然要调用下面的2个unpark
if (thread->is_Java_thread())
//如果是一个java线程，这里获取一个parker对象，并调用其unpark()方法
((JavaThread*)thread)->parker()->unpark();
ParkEvent * ev = thread->_ParkEvent ;
//这里获取一个_ParkEvent，并调用其unpark()方法
if (ev != NULL) ev->unpark() ;
}
这个方法中，首先判断线程的打断标志，如果为false，则将其设置为true
并且调用了3个对象的unpark()方法，一会儿介绍着3个对象的作用。
总而言之，线程打断的本质做了2件事情
1.将线程的打断标志设置为true
2.调用3个对象的unpark方法唤醒线程
3.ParkEvent对象的本质
在前面我们看到线程在调用interrupt方法的最底层其实是调用了thread中3个对象的unpark()方法，那么这3个对象究竟代表了什么呢，我们继续探究。
首先我们先看SleepEvent和ParkEvent对象，这2个对象的类型是相同的
查看thread.cpp，hotspot目录src/share/vm/runtime
找到SleepEvent和ParkEvent的定义，jvm已经给我们注释了，ParkEven是供synchronized()使用，SleepEvent是供Thread.sleep使用：
ParkEvent * _ParkEvent; // for synchronized()
ParkEvent * _SleepEvent; // for Thread.sleep
查看park.hpp，hotspot目录src/share/vm/runtime
在头文件中能找到ParkEvent类的定义，继承自os::PlatformEvent，是一个和系统相关的的PlatformEvent：
class ParkEvent : public os::PlatformEvent {
...
}
查看os_linux.hpp，hotspot目录src/os/linux/vm
以linux系统为例，在头文件中可以看到PlatformEvent的具体定义，我们只关注其中的重点：
首先是2个私有对象，一个pthread_mutex_t操作系统级别的信号量，一个pthread_cond_t操作系统级别的条件变量，这2个变量是一个数组，长度都是1，这些在后面会看到是如何使用的
其次是定义了3个方法，park()、unpark()、park(jlong millis)，控制线程的挂起和继续执行
class PlatformEvent : public CHeapObj<mtInternal> {
private:
...
pthread_mutex_t _mutex[1];
pthread_cond_t _cond[1];
...
void park();
void unpark();
int park(jlong millis); // relative timed-wait only
...
};
查看os_linux.cpp，hotspot目录src/os/linux/vm
接着我们就需要去看park和unpark方法的具体实现，并看看2个私有变量是如何被使用的
先看park()方法，这里我们主要关注3个系统底层方法的调用
pthread_mutex_lock(_mutex)：锁住信号量
status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex)：释放信号量，并在条件变量上等待
status = pthread_mutex_unlock(_mutex)：释放信号量
void os::PlatformEvent::park() {
...
//锁住信号量
int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
while (_Event < 0) {
//释放信号量，并在条件变量上等待
status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
}
//释放信号量
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
}
这个方法其实非常好理解，就相当于：
synchronize(obj){
obj.wait();
}
或者：
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
lock.lock();
condition.wait();
lock.unlock();
park(jlong millis)方法就不展示了，区别只是调用一个接受时间参数的等待方法。
所以park()方法底层其实是调用系统层面的锁和条件等待去挂起线程的
接着我们看unpark()方法，其中最重要的方法当然是
pthread_cond_signal(_cond)：唤醒条件变量
void os::PlatformEvent::unpark() {
...
if (AnyWaiters != 0) {
//唤醒条件变量
status = pthread_cond_signal(_cond);
}
...
}
所以unpark()方法底层其实是调用系统层面的唤醒条件变量达到唤醒线程的目的
4.Park()对象的本质
看完了2个ParkEvent对象的本质，那么接着我们还剩一个park()对象
查看thread.hpp，hotspot目录src/share/vm/runtime
park()对象的定义如下：
public:
Parker* parker() { return _parker; }
查看park.hpp，hotspot目录src/share/vm/runtime
可以看到，它是继承自os::PlatformParker，和ParkEvent不同，下面可以看到，等待变量的数组长度变为了2，其中一个给相对时间使用，一个给绝对时间使用
class Parker : public os::PlatformParker {
pthread_mutex_t _mutex[1];
pthread_cond_t _cond[2]; // one for relative times and one for abs.
}
查看os_linux.cpp，hotspot目录src/os/linux/vm
还是先看park方法的实现，这个方法其实是对ParkEvent中的park方法的改良版，不过总体的逻辑还是没有变
最终还是调用pthread_cond_wait方法挂起线程
void Parker::park(bool isAbsolute, jlong time) {
...
if (time == 0) {
//这里是直接长时间等待
_cur_index = REL_INDEX;
status = pthread_cond_wait(&_cond[_cur_index], _mutex);
} else {
//这里会根据时间是否是绝对时间，分别等待在不同的条件上
_cur_index = isAbsolute ? ABS_INDEX : REL_INDEX;
status = pthread_cond_timedwait(&_cond[_cur_index], _mutex, &absTime);
}
...
}
最后看一下unpark方法，这里需要先获取一个正确的等待对象，然后通知即可：
void Parker::unpark() {
int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
...
//因为在等待的时候会有2个等待对象，所以需要先获取正确的索引
int index = _cur_index;
...
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
if (s < 1 && index != -1) {
//唤醒线程
status = pthread_cond_signal(&_cond[index]);
}
...
}
5.利用jni实现一个可以被打断的MyThread类
结合上一篇文章，我们利用jni实现一个自己可以被打断的简易MyThread类
对于jni的基础使用和Thread在jvm级别的本质可以参看上一篇文章，对下面每一步的意义都作了详细的解释
JNI-从jvm源码分析Thread.start的调用与Thread.run的回调
首先定义MyThread.java
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.time.LocalDateTime;
public class MyThread {
static {
//设置查找路径为当前项目路径
System.setProperty("java.library.path", ".");
//加载动态库的名称
System.loadLibrary("MyThread");
}
public native void startAndPark();
public native void interrupt();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread thread = new MyThread();
//启动线程打印一段文字，并睡眠
thread.startAndPark();
//1秒后主线程打断子线程
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
System.out.println(LocalDateTime.now() + "：Main---准备打断线程");
//打断子线程
thread.interrupt();
System.out.println(LocalDateTime.now() + "：Main---打断完成");
}
}
执行命令编译MyThread.class文件并生成MyThread.h头文件
javac -h . MyThread.java
创建MyThread.c文件
当java代码调用startAndPark()方法的时候，创建了一个系统级别的线程，并调用pthread_cond_wait进行休眠
当java代码调用interrupt()方法的时候，会唤醒休眠中的线程
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include "MyThread.h"
#include "time.h"
pthread_t pid;
pthread_mutex_t _mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t _cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
//打印时间
void printTime(){
char strTm[50] = { 0 };
time_t currentTm;
time(¤tTm);
strftime(strTm, sizeof(strTm), "%x %X", localtime(¤tTm));
puts(strTm);
}
//子线程执行的方法
void* thread_entity(void* arg){
printTime();
printf("MyThread---启动\n");
printTime();
printf("MyThread---准备休眠\n");
//阻塞线程，等待唤醒
pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
printTime();
printf("MyThread---休眠被打断\n");
}
//对应MyThread中的startAndPark方法
JNIEXPORT void JNICALL Java_MyThread_startAndPark(JNIEnv *env, jobject c1){
//创建一个子线程
pthread_create(&pid, NULL, thread_entity, NULL);
}
//对应MyThread中的interrupt方法
JNIEXPORT void JNICALL Java_MyThread_interrupt(JNIEnv *env, jobject c1){
//唤醒线程
pthread_cond_signal(&_cond);
}
执行命令创建动态链接库
gcc -dynamiclib -I /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/include MyThread.c -o libMyThread.jnilib
执行java的main方法，得到结果
子线程启动后进入睡眠，主线程1秒钟后打断子线程，完全符合我们的预期
2020/11/13 19时42分57秒
MyThread---启动
2020/11/13 19时42分57秒
MyThread---准备休眠
2020-11-13T19:42:58.891：Main---准备打断线程
2020/11/13 19时42分58秒
MyThread---休眠被打断
2020-11-13T19:42:58.891：Main---打断完成
最后总结一下本文的内容
1.线程打断的本质做了2件事情：设置线程的打断标记，并调用线程3个Park对象的unpark()方法唤醒线程
2.线程挂起的本质是调用系统级别的pthread_cond_wait方法，使得等待在一个条件变量上
3.线程唤醒的本质是调用系统级别的pthread_cond_signal方法，唤醒等待的线程
4.通过实现一个自己的可以打断的线程类更好地理解线程打断的本质
