1.疑问：Java线程对应的native线程状态如何迁移？

在《【运行时数据区】-并发编程-前置知识(4.并发编程基础)-5》中，我们在JDK层面对Java线程的6种状态迁移进行了实验。

本文再以Java线程从NEW状态迁移到RUNNABLE状态为引子，观测一下JVM为Java线程创建的native线程的状态如何迁移：

2.探索：JVM调用链全景图

为了避免迷失在JVM的源码中，我们先看一下笔者整理的JVM调用链全景：

• STEP1.JVM准备：JDK通过JNI，加载JVM侧的相关函数。

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涉及代码：
(1)JDK：Thread.java的registerNatives()
(2)JVM：jdk/src/share/native/java/lang/Thread.c的registerNatives()

• STEP2.启动Java线程：JDK侧启动线程，JVM侧进行初始化。

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涉及代码：
(1)JDK：Thread.java的start()
(2)JVM：src/share/vm/prims/jvm.cpp的JVM_StartThread()
(3)JVM：src/share/vm/runtime/thread.cpp的JavaThread()

• STEP3.记录JDK回调：JVM侧记录JDK侧的Java线程回调函数

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涉及代码：
(1)JVM：src/share/vm/runtime/thread.hpp的set_entry_point()

• STEP4.创建native线程：JVM侧创建native线程，初始化后等待CPU执行这个native线程

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涉及代码：
(1)JVM：src/os/linux/vm/os_linux.cpp的create_thread()

• STEP5.等待：CPU执行native线程，JVM阻塞，等待native线程进入RUNNABLE状态

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涉及代码：
(1)JVM：src/os/linux/vm/os_linux.cpp的java_start()

• STEP6.打破循环：JVM在STEP4后，做了其它操作，最终设置native线程、Java线程为RUNNABLE状态，打破STEP5等待

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涉及代码：
(1)JVM：src/share/vm/prims/jvm.cpp的JVM_StartThread()
(2)JVM：src/share/vm/runtime/thread.cpp的start()
(3)JVM：src/share/vm/runtime/os.cpp的start_thread()
(4)JVM：src/os/linux/vm/os_linux.cpp的pd_start_thread()

• STEP7.回调JDK：JVM通过JNI回调JDK侧的Java线程回调

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涉及代码：
(1)JVM：src/share/vm/runtime/thread.cpp的run()
(2)JVM：src/share/vm/runtime/thread.cpp的thread_main_inner()

3.细节1：JVM准备

第一步，看JVM如何将java.lang.Thread中用到的native方法批量注册的：

• 在JDK中，java.lang.Thread在静态代码块中调用了registerNatives。此方法为native方法。

• 在JVM中，java/lang/Thread.c定义了JNI方法Java_java_lang_Thread_registerNatives。此方法使用了methods变量，此变量定义了java.lang.Thread类中所有的native方法对应的函数指针。

4.细节2：启动Java线程

第二步，理解java.lang.Thread调用start方法时，JVM对应的处理：

• java.lang.Thread的start方法核心是调用了native方法start0。

• 在JVM中，native的start0方法对应的实现为JVM_StartThread函数。

• JVM_StartThread方法核心是创建了JavaThread对象。此对象是JVM中表示Java线程对象的抽象。

5.细节3：记录JDK回调

第三步，理解JVM如何记录Java线程的回调：

• 在JVM中，thread.cpp中定义了JavaThread的构造函数，第一个参数entry_point就表示Java线程的回调函数。

• thread.hpp提供了set_entry_point函数，JavaThread的构造函数调用此函数，将Java线程的回调记录到内存中，供后续流程调用。

6.细节4：创建native线程

第四步，在JVM做好一切准备工作后，JVM如何在操作系统上创建native线程：

• JVM的thread.cpp在JavaThread的构造函数中调用os_linux.cpp的create_thread函数。
• create_thread函数创建了OSThread对象，此对象记录了JavaThread和即将创建的native线程之间的一一对应关系。

• 在建立了JavaThread对象和native线程对象后，JVM就调用pthread库的pthread_create方法，在操作系统上创建了真正的native线程。

• 到这里，JDK中的Java线程仍然处于NEW状态，而JVM中的native线程在一段时间内处于ALLOCATED状态，JVM一直会等待native线程突破这个状态。并且，当pthread库在操作系统层创建native线程出现问题时，native线程处于ZOMBIE状态。

7.细节5：等待

第五步，在操作系统层面已经存在了和JDK的Java线程一一对应的native线程，那么我们就要来理解在CPU下一个可能的时间周期中是如何执行的native线程的回调。

• os_linux.cpp的java_start函数是native线程的回调函数。

• 这个函数的结束处，native线程的状态一直处于INITIALIZED状态，这个状态就对应Java线程的NEW状态。此时，native线程阻塞。
• 当native线程被打破了INITIALIZED状态，native线程不再原地止步，而是进一步执行thread.cpp的run方法。

8.细节6：打破循环

第六步，我们再来理解JVM如何打破上一步native线程止步不前的状态。

• 在jvm.cpp的JVM_StartThread方法在创建了JavaThread对象后，调用了thread.cpp的start函数。

• thread.cpp的start方法将JavaThread对象设置为RUNNABLE状态，此时JDK对应的Java线程处于RUNNABLE状态。
• thread.cpp调用os.cpp的start_thread函数。

• os.cpp的start_thread函数将native线程也设置为RUNNABLE状态，此时Java线程和native线程都处于RUNNABLE状态。

• os.cpp的start_thread函数进一步调用os_linux.cpp的pd_start_thread函数。

9.细节7：回调JDK

第七步，在第六步打破了native线程止步不前的状态后，native线程调用thread.cpp的thread_main_inner函数。

• native线程调用thread.cpp的thread_main_inner函数。

• thread.cpp的thread_main_inner函数中，进一步调用了在第三步中保存的Java线程的回调entry_point。

• 在jvm.cpp中，thread_entry函数调用了JavaCalls::call_virtual函数，这个函数会通过JNI反向调用JDK中的Java代码，此处就是回调了JDK中的Java线程回调函数。

10.结论

通过前述代码流程的分析，我们可以得到如下结论：

• JDK中，new java.lang.Thread()会创建Java线程，此时Java线程处于NEW状态。
• JDK中，调用Java线程的start方法后，在JVM中创建native线程
• JVM中，native线程先后经历ALLOCATED状态，也可能出现ZOMBIE状态。
• JVM中，native线程进化为INITIALIZED状态，可以对标JDK中Java线程的NEW状态。
• JVM中，native线程被打破等待循环后，native线程变迁为RUNNABLE状态。
• JDK中，Java线程也变迁为RUNNABLE状态，Java线程的回调函数也被JVM调用执行。

11.随想

每次分析JVM源码，仿佛在一个生活在三维空间的生物(Java程序猿)，窥探到四维空间(JVM、操作系统、CPU……)，这种感觉令人自在、平静、喜乐。