并发系列一：初识java线程与os的关系，模拟java调用os函

2021-04-08 本文已影响0人 avengerEug

前言

并发，这是一个值得深思的话题。它似无形却有形。我们平常的工作都是面向业务编程，CRUD居多，基本上与并发没什么交集。ok，并发是一个广泛的概念。那么咱们来聊聊多线程(java 多线程)。这里咱们来思考下问题：为什么要使用多线程？俗话说，一方有难八方支援。在今年的疫情初期，武汉的疫情非常严峻，如果仅靠武汉的白衣天使来医治病患，这无疑是一个长征项目，这就等同于单线程在干活。于是一批批来自于五湖四海的白衣天使前往武汉进行支援(点赞！)，此时就是多线程在协同工作。是的，你没想错，使用多线程的就是为了加快程序运行速度。换句话来说，就是提高cpu利用率。如果把国家的每个行政区比作cpu的一个核，那么咱们国家就是一个34核的cpu。试问下，一个核和34个核的处理速度，这不用我说，大家都懂吧！
上述的描述，可以得出一个结论：java线程与操作系统是等价的。接下来，咱们来证明下此结论

一、证明java线程等价于os的线程

为了能正常的看出效果，我选择window系统的任务管理器来证明这个结论

编写如下代码(InitThread.java)：

public class InitThread {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(100000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

执行代码之前，打开任务管理器，并查看线程数，如下图所示：

在这里插入图片描述
运行上述java类，然后再次查看任务管理器

在这里插入图片描述
综上，可以看出，我们使用java创建出一个线程与os中创建出一个线程是对等的。因此可以判断，java创建线程时与os函数进行了交互。于是，我们来看下Thread类的start方法

java.lang.Thread#start

// 上面部分代码省略
boolean started = false;
    try {
        // 调用了此方法开启了线程
        start0();
        started = true;
    } finally {
        // finally部分代码省略
    }

java.lang.Thread#start0

// start0方法时一个native方法
private native void start0();

可以看到java调用Thread的start方法启动一个线程时，最终会调用到start0方法。而start0是native方法，何为native方法？什么是native方法呢？为了解释native方法，这里要描述下java的发展历史，很久很久以前，c语言很流行，所有的程序基本上都是c写的。在1995年，Java诞生了，它以不需要手动释放内存的特性深受程序员欢迎，java的开发团队为了解决java与c的通讯问题，所以使用c/c++写出了jvm。jvm在java中起到了非常大的作用，包括垃圾回收器、java与os的交互、与c语言的交互等等。native方法就是对应的一个c语言文件后java在调用它时是通过jvm来交互的

二、使用自定义native方法开启一个线程

2.1 使用os函数开启一个线程

ps：此时我选择的os为centos7 64位的os(拥有c语言编译环境)

第一步：查看os创建线程的api

#1. 安装man命令 => 为了查看函数信息
yum install man-pages

#2. 执行如下命令查看os创建线程api，具体内容查看下图
man pthread_create

在这里插入图片描述

第二步：使用os的api(pthread_create)创建一个线程

1.撰写myThread.c文件
```c
#include "pthread.h" //头文件，在pthread_create方法中有明确写到
#include "stdio.h"

pthread_t pid; // 定义一个变量，用来存储生成的线程id, 在pthread_create方法中也有介绍

/**
- 定义主体函数
  /
  void run(void* arg) {
  while(1) {
  printf("\n Execting run function \n");
  printf(arg);
  sleep(1);
  }
  }
/**
- 若要编译成可执行文件，则需要写main方法
  */
  int main() {
  pthread_create(&pid, NULL, run, "123"); // 调用os创建线程api
  while(1) { // 这里必须要写个死循环，因为c程序在main方法执行结束后，它内部开的子线程也会关掉
  }
  }
```
> 2.编译c文件成可执行命令
```shell
# -pthread参数表示把pthread类库也添加到编译范围
gcc -o myThread myThread.c -pthread
```
第三步：运行并查看结果

运行编译后的c文件
shell ./myThread
运行结果：

在这里插入图片描述
综上，咱们已经使用os函数启动了一个线程

2.2 使用java调用自定义的native方法启动线程

第一步：创建ExecMyNativeMethod.java类(不用指定在哪个包下，因为最终要把它放在linux中去执行)

public class ExecMyNativeMethod {

    /**
     * 加载本地方法类库，注意这个名字，后面会用到
     */
    static {
        System.loadLibrary("MyNative");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecMyNativeMethod execMyNativeMethod = new ExecMyNativeMethod();
        execMyNativeMethod.start0();
    }

    private native void start0();
}

第二步：将java类编译成class文件
```
javac ExecMyNativeMethod.java
```
第三步：将class文件转成c语言头文件
```
javah ExecMyNativeMethod
```

第四步：查看编译后的头文件

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class ExecMyNativeMethod */

#ifndef _Included_ExecMyNativeMethod
#define _Included_ExecMyNativeMethod
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     ExecMyNativeMethod
 * Method:    start0
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_ExecMyNativeMethod_start0
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

对于上述内容，我们只需要关注我们定义的native方法(JNIEXPORT void JNICALL Java_ExecMyNativeMethod_start0 (JNIEnv *, jobject);)即可，也就是说native方法转成c语言头文件后会变成JNIEXPORT void JNICALL Java_类名_native方法名 (JNIEnv *, jobject);的格式

第五步：更新我们刚刚编写的myThread.c文件，为了不造成影响，我们使用cp命令创建出一个新的c文件myThreadNew.c
```
cp myThread.c myThreadNew.c
```

第六步：修改myThreadNew.c文件为如下内容

#include "pthread.h" // 引用线程的头文件，在pthread_create方法中有明确写到
#include "stdio.h"
#include "ExecMyNativeMethod.h" // 将自定义的头文件导入

pthread_t pid; // 定义一个变量，用来存储生成的线程id, 在pthread_create方法中也有介绍

/**
 * 定义主体函数
 */
void* run(void* arg) {
    while(1) {
       printf("\n Execting run function \n");
       printf(arg);
       sleep(1);
    }
}

/**
 * 此方法就是后面java要调用到的native方法
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_ExecMyNativeMethod_start0(JNIEnv *env, jobject c1) {
    pthread_create(&pid, NULL, run, "Creating thread from java application"); // 调用os创建线程api
    while(1) {} // 死循环等待
}

/**
 * 每个要执行的c文件都要写main方法，
 * 如果要编译成动态链接库，则不需要
 */
int main() {
    return 0;
}

第七步：执行如下命令将myThreadNew.c文件编译成动态链接库，并添加到环境变量中(否则在启动java类的main方法时，在静态代码块中找不到myNative类库)

# 1. 编译成动态链接库
# 说明下-I后面的参数: 分别指定jdk安装目录的include文件夹和include/linux文件夹
# 因为我在环境变量中配置了JAVA_HOME，所以我直接$JAVA_HOME了
# 后面的libMyNative.so文件，它的格式为lib{xxx}.so
# 其中{xxx}为类中System.loadLibrary("yyyy")代码中yyyy的值
gcc -I $JAVA_HOME/include -I $JAVA_HOME/include/linux -fPIC -shared -o libMyNative.so myThreadNew.c

# 2. 将此动态链接库添加到环境变量中
# 格式: export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:{libxxxx.so}
# 其中{libxxxxNative.so}为动态链接库的路径, 
# 我的libMyNative.so文件在/root/workspace文件夹下
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/root/workspace/libMyNative.so

第八步：执行如下命令启动java程序
```
java ExecMyNativeMethod
```
查看运行结果
在这里插入图片描述
综上，我们仅仅是使用java调用了自己编写的native方法启动了线程。如果我们要和java一样，自己写一个run方法，然后启动线程时，来调用这个run方法的话，要怎么实现呢？别急，往下看！

2.3 native方法回调java方法

第一步：优化我们的ExecMyNativeMethod.java类，新增run方法，具体如下：

public class ExecMyNativeMethod {

    /**
     * 加载本地方法类库，注意这个名字，后面会用到
     */
    static {
        System.loadLibrary("MyNative");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecMyNativeMethod execMyNativeMethod = new ExecMyNativeMethod();
        execMyNativeMethod.start0();
    }

    private native void start0();

    public void run() {
        System.out.println("I'm run method..........");
    }
}

第二步：修改上述的myThreadNew.c文件为如下内容(用到了JNI，这个c文件在jdk的安装目录中可以找到，所以这是jdk提供的功能)：

#include "stdio.h"
#include "ExecMyNativeMethod.h" // 将自定义的头文件导入
#include "jni.h"

/**
 * 此方法就是后面java要调用到的native方法
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_ExecMyNativeMethod_start0(JNIEnv *env, jobject c1) {
    jclass cls = (*env)->FindClass(env, "ExecMyNativeMethod");
    if (cls == NULL) {
        printf("Not found class!");
        return;
    }
    
    jmethodID cid = (*env)->GetMethodID(env, cls, "<init>", "()V");
    if (cid == NULL) {
        printf("Not found constructor!");
        return;
    }
    
    jobject obj = (*env)->NewObject(env, cls, cid);
    if (obj == NULL) {
        printf("Init object failed!");
        return;
    }
    
    jmethodID rid = (*env)->GetMethodID(env, cls, "run", "()V");
    jint ret = (*env)->CallIntMethod(env, obj, rid, NULL);
    
    printf("Finished!");
}

第三步：将myThreadNew.c文件编译成动态链接库

gcc -I $JAVA_HOME/include -I $JAVA_HOME/include/linux -fPIC -shared -o libMyNative.so myThreadNew.c

第四步：编译java类并执行它

javac ExecMyNativeMethod.java
java ExecMyNativeMethod

查看运行结果：

在这里插入图片描述

2.4 额外总结

关于用户态和内核态。咱们把它理解成两个角色。用户态理解成普通用户。内核态理解成超级管理员。当普通用户要使用超级管理员的权限时，需要有一个普通用户转化为超级管理员的过程。即所说的用户态转内核态。大家可以想象下，在ubuntu系统下，我们的一个普通用户要使用管理员的权限是不是要在命令前面添加sudo命令？这也是一个转化。

三、总结

综上，咱们了解了java线程与os的关系，以及模拟了java调用os函数创建线程的流程。
最近在学习并发相关的知识点, 后续将会继续更新。下篇文章主题为：synchronized关键字常见api、初始对象头以及证明hashcode。
并发模块对应github地址：传送门
I am a slow walker, but I never walk backwards.