基于JDK 1.8来分析Thread类的源码

前言

最近和一个工作了7年的朋友聊天，他跟我说起了他去XXX公司面试的情况，面试官的一个问题把他打懵了！竟然问他：你经常使用Thread类创建线程，那你看过Thread类的源码吗？Thread类创建线程的流程是什么？如何中断一个正在执行的线程？我这个朋友平时觉得Thread类非常简单，自然是没看过Thread类的源码，然后，就没有然后了！！！

所以，我们学习技术不仅需要知其然，更需要知其所以然，今天，我们就一起来简单看看Thread类的源码。

注意：本文是基于JDK 1.8来进行分析的。

Thread类的继承关系

我们可以使用下图来表示Thread类的继承关系。

由上图我们可以看出，Thread类实现了Runnable接口，而Runnable在JDK 1.8中被@FunctionalInterface注解标记为函数式接口，Runnable接口在JDK 1.8中的源代码如下所示。

@FunctionalInterface
publicinterfaceRunnable{
publicabstractvoidrun();
}

Runnable接口的源码比较简单，只是提供了一个run()方法，这里就不再赘述了。

接下来，我们再来看看@FunctionalInterface注解的源码，如下所示。

@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.TYPE)
public@interfaceFunctionalInterface{}

可以看到，@FunctionalInterface注解声明标记在Java类上，并在程序运行时生效。

Thread类的源码剖析

Thread类定义

Thread在java.lang包下，Thread类的定义如下所示。

publicclassThreadimplementsRunnable{

加载本地资源

打开Thread类后，首先，我们会看到在Thread类的最开始部分，定义了一个静态本地方法registerNatives()，这个方法主要用来注册一些本地系统的资源。并在静态代码块中调用这个本地方法，如下所示。

//定义registerNatives()本地方法注册系统资源
privatestaticnativevoidregisterNatives();
static{
//在静态代码块中调用注册本地系统资源的方法
registerNatives();
}

Thread中的成员变量

Thread类中的成员变量如下所示。

//当前线程的名称
privatevolatileStringname;
//线程的优先级
privateintpriority;
privateThreadthreadQ;
privatelongeetop;
//当前线程是否是单步线程
privatebooleansingle_step;
//当前线程是否在后台运行
privatebooleandaemon=false;
//Java虚拟机的状态
privatebooleanstillborn=false;
//真正在线程中执行的任务
privateRunnabletarget;
//当前线程所在的线程组
privateThreadGroupgroup;
//当前线程的类加载器
privateClassLoadercontextClassLoader;
//访问控制上下文
privateAccessControlContextinheritedAccessControlContext;
//为匿名线程生成名称的编号
privatestaticintthreadInitNumber;
//与此线程相关的ThreadLocal,这个Map维护的是ThreadLocal类
ThreadLocal.ThreadLocalMapthreadLocals=null;
//与此线程相关的ThreadLocal
ThreadLocal.ThreadLocalMapinheritableThreadLocals=null;
//当前线程请求的堆栈大小，如果未指定堆栈大小，则会交给JVM来处理
privatelongstackSize;
//线程终止后存在的JVM私有状态
privatelongnativeParkEventPointer;
//线程的id
privatelongtid;
//用于生成线程id
privatestaticlongthreadSeqNumber;
//当前线程的状态，初始化为0，代表当前线程还未启动
privatevolatileintthreadStatus=0;
//由（私有）java.util.concurrent.locks.LockSupport.setBlocker设置
//使用java.util.concurrent.locks.LockSupport.getBlocker访问
volatileObjectparkBlocker;
//Interruptible接口中定义了interrupt方法，用来中断指定的线程
privatevolatileInterruptibleblocker;
//当前线程的内部锁
privatefinalObjectblockerLock=newObject();
//线程拥有的最小优先级
publicfinalstaticintMIN_PRIORITY=1;
//线程拥有的默认优先级
publicfinalstaticintNORM_PRIORITY=5;
//线程拥有的最大优先级
publicfinalstaticintMAX_PRIORITY=10;

从Thread类的成员变量，我们可以看出，Thread类本质上不是一个任务，它是一个实实在在的线程对象，在Thread类中拥有一个Runnable类型的成员变量target，而这个target成员变量就是需要在Thread线程对象中执行的任务。

线程的状态定义

在Thread类的内部，定义了一个枚举State，如下所示。

publicenumState{
//初始化状态
NEW,
//可运行状态，此时的可运行包括运行中的状态和就绪状态
RUNNABLE,
//线程阻塞状态
BLOCKED,
//等待状态
WAITING,
//超时等待状态
TIMED_WAITING,
//线程终止状态
TERMINATED;
}

这个枚举类中的状态就代表了线程生命周期的各状态。我们可以使用下图来表示线程各个状态之间的转化关系。

NEW：初始状态，线程被构建，但是还没有调用start()方法。

RUNNABLE：可运行状态，可运行状态可以包括：运行中状态和就绪状态。

BLOCKED：阻塞状态，处于这个状态的线程需要等待其他线程释放锁或者等待进入synchronized。

WAITING：表示等待状态，处于该状态的线程需要等待其他线程对其进行通知或中断等操作，进而进入下一个状态。

TIME_WAITING：超时等待状态。可以在一定的时间自行返回。

TERMINATED：终止状态，当前线程执行完毕。

Thread类的构造方法

Thread类中的所有构造方法如下所示。

publicThread(){
init(null,null,"Thread-"+nextThreadNum(),0);
}
publicThread(Runnabletarget){
init(null,target,"Thread-"+nextThreadNum(),0);
}
Thread(Runnabletarget,AccessControlContextacc){
init(null,target,"Thread-"+nextThreadNum(),0,acc,false);
}
publicThread(ThreadGroupgroup,Runnabletarget){
init(group,target,"Thread-"+nextThreadNum(),0);
}
publicThread(Stringname){
init(null,null,name,0);
}
publicThread(ThreadGroupgroup,Stringname){
init(group,null,name,0);
}
publicThread(Runnabletarget,Stringname){
init(null,target,name,0);
}
publicThread(ThreadGroupgroup,Runnabletarget,Stringname){
init(group,target,name,0);
}
publicThread(ThreadGroupgroup,Runnabletarget,Stringname,
longstackSize){
init(group,target,name,stackSize);
}

其中，我们最经常使用的就是如下几个构造方法了。

publicThread(){
init(null,null,"Thread-"+nextThreadNum(),0);
}
publicThread(Runnabletarget){
init(null,target,"Thread-"+nextThreadNum(),0);
}
publicThread(Stringname){
init(null,null,name,0);
}
publicThread(ThreadGroupgroup,Stringname){
init(group,null,name,0);
}
publicThread(Runnabletarget,Stringname){
init(null,target,name,0);
}
publicThread(ThreadGroupgroup,Runnabletarget,Stringname){
init(group,target,name,0);
}

通过Thread类的源码，我们可以看出，Thread类在进行初始化的时候，都是调用的init()方法，接下来，我们看看init()方法是个啥。

init()方法

privatevoidinit(ThreadGroupg,Runnabletarget,Stringname,longstackSize){
init(g,target,name,stackSize,null,true);
}
privatevoidinit(ThreadGroupg,Runnabletarget,Stringname,
longstackSize,AccessControlContextacc,
booleaninheritThreadLocals){
//线程的名称为空，抛出空指针异常
if(name==null){
thrownewNullPointerException("namecannotbenull");
}

this.name=name;
Threadparent=currentThread();
//获取系统安全管理器
SecurityManagersecurity=System.getSecurityManager();
//线程组为空
if(g==null){
//获取的系统安全管理器不为空
if(security!=null){
//从系统安全管理器中获取一个线程分组
g=security.getThreadGroup();
}
//线程分组为空，则从父线程获取
if(g==null){
g=parent.getThreadGroup();
}
}
//检查线程组的访问权限
g.checkAccess();
//检查权限
if(security!=null){
if(isCCLOverridden(getClass())){
security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
}
}
g.addUnstarted();
//当前线程继承父线程的相关属性
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);
/*StashthespecifiedstacksizeincasetheVMcares*/
this.stackSize=stackSize;

//设置线程id
tid=nextThreadID();
}

Thread类中的构造方法是被创建Thread线程的线程调用的，此时，调用Thread的构造方法创建线程的线程就是父线程，在init()方法中，新创建的Thread线程会继承父线程的部分属性。

run()方法

既然Thread类实现了Runnable接口，则Thread类就需要实现Runnable接口的run()方法，如下所示。

@Override
publicvoidrun(){
if(target!=null){
target.run();
}
}

可以看到，Thread类中的run()方法实现非常简单，只是调用了Runnable对象的run()方法。所以，真正的任务是运行在run()方法中的。

另外，需要注意的是：直接调用Runnable接口的run()方法不会创建新线程来执行任务，如果需要创建新线程执行任务，则需要调用Thread类的start()方法。

start()方法

publicsynchronizedvoidstart(){
//线程不是初始化状态，则直接抛出异常
if(threadStatus!=0)
thrownewIllegalThreadStateException();
//添加当前启动的线程到线程组
group.add(this);
//标记线程是否已经启动
booleanstarted=false;
try{
//调用本地方法启动线程
start0();
//将线程是否启动标记为true
started=true;
}finally{
try{
//线程未启动成功
if(!started){
//将线程在线程组里标记为启动失败
group.threadStartFailed(this);
}
}catch(Throwableignore){
/*donothing.Ifstart0threwaThrowablethen
itwillbepassedupthecallstack*/
}
}
}

privatenativevoidstart0();

从start()方法的源代码，我们可以看出：start()方法使用synchronized关键字修饰，说明start()方法是同步的，它会在启动线程前检查线程的状态，如果不是初始化状态，则直接抛出异常。所以，一个线程只能启动一次，多次启动是会抛出异常的。

这里，也是面试的一个坑：面试官：【问题一】能不能多次调用Thread类的start()方法来启动线程吗？【问题二】多次调用Thread线程的start()方法会发生什么？【问题三】为什么会抛出异常？

调用start()方法后，新创建的线程就会处于就绪状态（如果没有分配到CPU执行），当有空闲的CPU时，这个线程就会被分配CPU来执行，此时线程的状态为运行状态，JVM会调用线程的run()方法执行任务。

sleep()方法

sleep()方法可以使当前线程休眠，其代码如下所示。

//本地方法，真正让线程休眠的方法
publicstaticnativevoidsleep(longmillis)throwsInterruptedException;

publicstaticvoidsleep(longmillis,intnanos)
throwsInterruptedException{
if(millis< 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (nanos < 0 || nanos >999999){
thrownewIllegalArgumentException(
"nanosecondtimeoutvalueoutofrange");
}

if(nanos>=500000||(nanos!=0&&millis==0)){
millis++;
}
//调用本地方法
sleep(millis);
}

sleep()方法会让当前线程休眠一定的时间，这个时间通常是毫秒值，这里需要注意的是：调用sleep()方法使线程休眠后，线程不会释放相应的锁。

join()方法

join()方法会一直等待线程超时或者终止，代码如下所示。

publicfinalsynchronizedvoidjoin(longmillis)
throwsInterruptedException{
longbase=System.currentTimeMillis();
longnow=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){
thrownewIllegalArgumentException(
"nanosecondtimeoutvalueoutofrange");
}

if(nanos>=500000||(nanos!=0&&millis==0)){
millis++;
}

join(millis);
}

publicfinalvoidjoin()throwsInterruptedException{
join(0);
}

join()方法的使用场景往往是启动线程执行任务的线程，调用执行线程的join()方法，等待执行线程执行任务，直到超时或者执行线程终止。

interrupt()方法

interrupt()方法是中断当前线程的方法，它通过设置线程的中断标志位来中断当前线程。此时，如果为线程设置了中断标志位，可能会抛出InteruptedExeption异常，同时，会清除当前线程的中断状态。这种方式中断线程比较安全，它能使正在执行的任务执行能够继续执行完毕，而不像stop()方法那样强制线程关闭。代码如下所示。

publicvoidinterrupt(){
if(this!=Thread.currentThread())
checkAccess();

synchronized(blockerLock){
Interruptibleb=blocker;
if(b!=null){
interrupt0();//Justtosettheinterruptflag
b.interrupt(this);
return;
}
}
//调用本地方法中断线程
interrupt0();
}
privatenativevoidinterrupt0();

总结

作为技术人员，要知其然，更要知其所以然，我那个朋友技术本身不错，各种框架拿来就用，基本没看过常用的框架源码和JDK中常用的API，属于那种CRUD型程序员，这次面试就栽在了一个简单的Thread类上，所以，大家在学会使用的时候，一定要了解下底层的实现才好啊！

审核编辑：刘清