专家视角看Java的线程是如何run起来的过程

Java的线程是如何run起来的过程

• • 前言
  • Java的线程是如何run起来的过程
  • • [第一阶段：OS 层的"觉醒" (`java_start`)](#第一阶段：OS 层的“觉醒” (java_start))
    • [第二阶段：JVM 核心整备 (`JavaThread::run`)](#第二阶段：JVM 核心整备 (JavaThread::run))
    • [第三阶段：寻找 Java 入口 (`thread_main_inner`)](#第三阶段：寻找 Java 入口 (thread_main_inner))
    • 第四阶段：跃迁跳板 (`JavaCalls` 与 `call_stub`)
    • [第五阶段：汇编级跃迁------`call_stub` 内部发生了什么？](#第五阶段：汇编级跃迁——call_stub 内部发生了什么？)
    • 总结：从死到生的瞬间

前言

本文旨在记录近期研读Java源码的学习心得与疑难问题。由于个人理解水平有限，文中内容难免存在疏漏，恳请读者不吝指正。

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Java的线程是如何run起来的过程

在 OpenJDK 8中，从 C++ 运行环境切换到 Java 字节码执行环境是一次极其精密的"跨次元"跳跃。当底层操作系统完成了 pthread_create 的系统调用后，新线程便在 java_start 睁开了眼睛。

以下是这一过程的深度源码追踪与逻辑还原。

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第一阶段：OS 层的"觉醒" (java_start)

当 Linux 内核调度器首次将时间片分配给这个新创建的轻量级进程（LWP）时，它开始执行在 os::create_thread 中指定的启动函数。

• 源码位置 ：src/os/linux/vm/os_linux.cpp
• 职责：这是新线程在用户态执行的第一行 C++ 代码。它必须先完成"身份认证"。
• 关键动作 ：
  1. 设置 TLS (Thread Local Storage) ：通过 TLS（线程本地存储）将当前的 JavaThread* 存储在 CPU 寄存器（x86-64 下通常是 R15）中，确保线程能随时找回自己的 JVM 句柄。
  2. 同步握手 ：此时父线程可能还在 JVM_StartThread 中等待，新线程会通过信号量通知父线程："我已经成功出生，可以继续了"。
  3. 跃入 JVM 核心 ：调用 thread->run()。

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第二阶段：JVM 核心整备 (JavaThread::run)

此时，线程虽然还在 C++ 环境中，但已经开始按照 JVM 的规矩办事。

• 源码位置 ：src/share/vm/runtime/thread.cpp
• 职责：配置线程的"生存环境"。
• 关键动作 ：
  1. 栈警戒页 (Stack Guard Pages) ：调用 os::create_stack_guard_pages()，通过 mprotect 系统调用在物理栈底划出 Yellow Page 和 Red Page 。这是 StackOverflowError 能够被安全捕获的底层硬件基础。
  2. 状态切换 ：将线程状态从 _thread_new 切换为 _thread_in_vm。
  3. 调用 thread_main_inner()：进入最终的调度中枢。

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第三阶段：寻找 Java 入口 (thread_main_inner)

在 thread_main_inner 中，JVM 需要找到那个在 Java 层定义的 public void run()。

• 逻辑流转 ：
  1. JVM 访问 Java 层的 Thread 对象（通过 eetop 找到的关联对象）。
  2. 获取 run() 方法的 Method* 指针。
  3. 核心调用 ：执行 JavaCalls::call_virtual。

// thread_entry 的典型逻辑
static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) {
  HandleMark hm(THREAD);
  Handle obj(THREAD, thread->threadObj());
  JavaValue result(T_VOID);
  // 关键动作：准备通过 JavaCalls 调用 Java 层的 run 方法
  JavaCalls::call_virtual(&result, obj, 
                         KlassHandle(THREAD, SystemDictionary::Thread_klass()),
                         vmSymbols::run_method_name(),
                         vmSymbols::void_method_signature(),
                         CHECK);
}

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第四阶段：跃迁跳板 (JavaCalls 与 call_stub)

这是整条链路中最硬核的部分。JavaCalls 负责将 C++ 的参数封装成 Java 栈帧能理解的布局。

• 源码位置 ：src/share/vm/runtime/javaCalls.cpp

• 跳板指令 ：

  // 最终会调用到这里
  os::os_exception_wrapper(address_of_stub, ...);

• call_stub 的真身 ：它不是一段 C++ 代码，而是由 StubGenerator 在 JVM 启动时动态生成的纯汇编机器码 （位于 src/cpu/x86/vm/stubGenerator_x86_64.cpp 中的 generate_call_stub）。

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第五阶段：汇编级跃迁------call_stub 内部发生了什么？

当 CPU 执行到 call_stub 所在的内存区域时，它完成了一场物理层面的环境重塑：

1. 保存 C++ 现场 ：将当前 C++ 环境的寄存器（如 RBP, RBX, R12-R15）压入系统栈。
2. 重置栈指针 (RSP) ：
   • call_stub 会计算 Java 方法所需的栈空间。
   • 它会执行 mov 和 sub 指令，移动 RSP 到一个新的位置，这个位置之上是 C++ 栈，之下则是崭新的 Java 栈。
3. 参数对齐 ：将 Java 方法需要的参数（如 this 指针，即 Thread 对象）从 C++ 的寄存器或栈位置拷贝到 Java 寄存器调用约定（如 RSI, RDX 等）或 Java 栈帧中。
4. 设置 Anchor (锚点) ：在 JavaFrameAnchor 中标记当前的栈顶位置，这是为了后续 GC 能够准确回溯栈帧。
5. 终极跳转 (call / jmp) ：
   • call_stub 获取 Thread.run() 方法的 Entry Point（入口地址）。
   • 如果是初次执行，这通常指向解释器入口 (Interpreter Entry)。
   • 瞬间跳跃 ：随着一条 call 指令，PC 寄存器指向了字节码解释器的首条指令。

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总结：从死到生的瞬间

在 OpenJDK 8u44 的语境下，这个过程可以概括为：

• java_start 是肉身的出生证明。
• JavaThread::run 是生存空间的划定。
• call_stub 是连接两个世界的时空隧道。

当 Thread.run() 的第一条字节码（通常是 aload_0）被解释器加载到寄存器时，这个线程才真正完成了它的"成人礼"，从操作系统的 LWP 变成了一个活生生的 Java 线程。

这种设计的精妙之处在于，物理栈是连续的，但逻辑栈是断裂的 。call_stub 正是那个缝合断裂、转换协议的唯一关口。理解了这一点，你也就理解了为什么 JVM 能够实现跨语言的异常传递和混合栈回溯。