android 进程/线程管理（二）----关于线程的迷思

一：进程和线程的由来

进程是计算机科技发展的过程的产物。

最早计算机发明出来，是为了解决数学计算而发明的。每解决一个问题，就要打纸带，也就是打点。

后来人们发现可以批量的设置命令，由计算机读取这些命令，并挨个执行。

在使用的过程中，有一个问题，如果要做I/O操作，是非常耗时的，这个时候CPU是闲着的，这对于计算机资源是一个巨大的浪费。

于是，人们发明了进程这个东西。每个程序就是一个进程，由操作系统管理，当进行复杂的耗时操作是，CPU可以调度处理其他的进程，从而是性能在整体上提高。

线程的目的：

当CPU调度的某个进程时，该进程正在做网络操作，这个时候，如果用户点击某个按钮，是无法及时响应的，体验非常不好。于是，比进程更“小”的调度单位出现了----线程。

我把与用于响应的操作放在一个线程，把耗时的操作放在其他线程，这个用户可以看到界面快速的响应，没有延时的效果。

这也是anroid等现在主流操作系统的编程范式：

把UI操作绑定的主线程，由工作线程处理其他的任务。主要是耗时的任务。

二：线程的启动过程

创建和启动一个新线程，无论经过多少层的封装，最终的目的就是由操作系统提供的api来完成。

以下就是从java thread出发，层层分析，一直到linux的pthread结束。

Thread源码位于：

libcore\libdvm\src\main\java\java\lang\Thread.java

public class Thread implements Runnable {

可见thread是实现了一个runnable接口。

public interface Runnable {

    /**
     * Starts executing the active part of the class' code. This method is
     * called when a thread is started that has been created with a class which
     * implements {@code Runnable}.
     */
    public void run();
}

runnable什么也没有，就是run函数。

所以线程的根本就是 创建一个新的线程，运行run方法。

下面我们看看创建线程的过程。

    public Thread() {
        create(null, null, null, 0);
    }

    public Thread(Runnable runnable) {
        create(null, runnable, null, 0);
    }

如上所示，常见的应用中使用thread的方法就是

a.定义一个新thread子类，实现run方法。

b.直接传递run给thread作为参数。

接下去我们看下create方法：

private void create(ThreadGroup group, Runnable runnable, String threadName, long stackSize) {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        if (group == null) {
            group = currentThread.getThreadGroup();
        }

        if (group.isDestroyed()) {
            throw new IllegalThreadStateException("Group already destroyed");
        }

        this.group = group;

        synchronized (Thread.class) {
            id = ++Thread.count;
        }

        if (threadName == null) {
            this.name = "Thread-" + id;
        } else {
            this.name = threadName;
        }

        this.target = runnable;
        this.stackSize = stackSize;

        this.priority = currentThread.getPriority();

        this.contextClassLoader = currentThread.contextClassLoader;

        // Transfer over InheritableThreadLocals.
        if (currentThread.inheritableValues != null) {
            inheritableValues = new ThreadLocal.Values(currentThread.inheritableValues);
        }

        // add ourselves to our ThreadGroup of choice
        this.group.addThread(this);
    }

    public static Thread currentThread() {
        return VMThread.currentThread();
    }

VmThread源码位于：

VMThread 的 currentThread 是一个 native 方法，其 JNI 实现为 android/dalvik/vm/native/java_lang_VMThread.cpp 中

static void Dalvik_java_lang_VMThread_currentThread(const u4* args,
    JValue* pResult)
{
    UNUSED_PARAMETER(args);

    RETURN_PTR(dvmThreadSelf()->threadObj);
}

这里有个dvmThreadSelf()方法：

Thread* dvmThreadSelf()
{
    return (Thread*) pthread_getspecific(gDvm.pthreadKeySelf);
}

可见这是一个存放在key为pthreadKeySelf的索引。

   /* the java/lang/Thread that we are associated with */
    Object*     threadObj;

threadObj关联的就是android thread对象。

接着分析上面的代码，如果没有给新线程指定 group 那么就会指定 group 为当前线程所在的 group 中，然后给新线程设置 name，priority 等。最后通过调用 ThreadGroup 的 addThread 方法将新线程添加到 group 中：

    /**
     * Called by the Thread constructor.
     */
    final void addThread(Thread thread) throws IllegalThreadStateException {
        synchronized (threadRefs) {
            if (isDestroyed) {
                throw new IllegalThreadStateException();
            }
            threadRefs.add(new WeakReference<Thread>(thread));
        }
    }
 

threadRefs里面就是存放group对每一个thread的引用。

通过以上代码分析，thread构造方法仅仅只是设置了一些线程属性，并没有创建真正的线程。

Thread新创建的线程：

    public synchronized void start() {
        checkNotStarted();

        hasBeenStarted = true;

        VMThread.create(this, stackSize);
    }

Android Thread 的 start 方法很简单，仅仅是转调 VMThread 的 native 方法 create，其 JNI 实现为 android/dalvik/vm/native/java_lang_VMThread.cpp 中的 Dalvik_java_lang_VMThread_create 方法：

static void Dalvik_java_lang_VMThread_create(const u4* args, JValue* pResult)
{
    Object* threadObj = (Object*) args[0];
    s8 stackSize = GET_ARG_LONG(args, 1);

    /* copying collector will pin threadObj for us since it was an argument */
    dvmCreateInterpThread(threadObj, (int) stackSize);
    RETURN_VOID();
}

dvmCreateInterpThread函数很长，但是它做了最重要的一件事：

bool dvmCreateInterpThread(Object* threadObj, int reqStackSize)
{
    Thread* self = dvmThreadSelf();
    

    Thread* newThread = allocThread(stackSize); 
    newThread->threadObj = threadObj;
    

    Object* vmThreadObj = dvmAllocObject(gDvm.classJavaLangVMThread, ALLOC_DEFAULT);
    dvmSetFieldInt(vmThreadObj, gDvm.offJavaLangVMThread_vmData, (u4)newThread);
    dvmSetFieldObject(threadObj, gDvm.offJavaLangThread_vmThread, vmThreadObj);
    

    pthread_t threadHandle;
    int cc = pthread_create(&threadHandle, &threadAttr, interpThreadStart, newThread);

    /*
     * Tell the new thread to start.
     *
     * We must hold the thread list lock before messing with another thread.
     * In the general case we would also need to verify that newThread was
     * still in the thread list, but in our case the thread has not started
     * executing user code and therefore has not had a chance to exit.
     *
     * We move it to VMWAIT, and it then shifts itself to RUNNING, which
     * comes with a suspend-pending check.
     */
    dvmLockThreadList(self);

    assert(newThread->status == THREAD_STARTING);
    newThread->status = THREAD_VMWAIT;
    pthread_cond_broadcast(&gDvm.threadStartCond);

    dvmUnlockThreadList();
    

}

/*
 * Alloc and initialize a Thread struct.
 *
 * Does not create any objects, just stuff on the system (malloc) heap.
 */
static Thread* allocThread(int interpStackSize)
{
    Thread* thread;
    thread = (Thread*) calloc(1, sizeof(Thread));
    

    thread->status = THREAD_INITIALIZING;
}

首先通过allocThread创建一个newThread的dalvik thread，并创建了一些属性。将设置其成员变量threadobj传入Android Thread threadobj.

创建vmThreadObj名字的Vmthread对象。

    dvmSetFieldInt(vmThreadObj, gDvm.offJavaLangVMThread_vmData, (u4)newThread);
    dvmSetFieldObject(threadObj, gDvm.offJavaLangThread_vmThread, vmThreadObj);

把vmThreadObj的VM_data方法设置成newThread。

然后设置Android Thread vmThread变量为vmThreadObj。

这样通过vmThreadObj， Android Thread就和dalvik thread关联起来了。

然后就是

int cc = pthread_create(&threadHandle, &threadAttr, interpThreadStart, newThread);

Yes，这个就是linux操作系统创建新线程的API接口！

接下来我们分析interpThreadStart,这是运行在新线程的入口。

/*
 * pthread entry function for threads started from interpreted code.
 */
static void* interpThreadStart(void* arg)
{
    Thread* self = (Thread*) arg;

    std::string threadName(dvmGetThreadName(self));
    setThreadName(threadName.c_str());

    /*
     * Finish initializing the Thread struct.
     */
    dvmLockThreadList(self);
    prepareThread(self);

    while (self->status != THREAD_VMWAIT)
        pthread_cond_wait(&gDvm.threadStartCond, &gDvm.threadListLock);

    dvmUnlockThreadList();

    /*
     * Add a JNI context.
     */
    self->jniEnv = dvmCreateJNIEnv(self);

    /*
     * Change our state so the GC will wait for us from now on.  If a GC is
     * in progress this call will suspend us.
     */
    dvmChangeStatus(self, THREAD_RUNNING);

    /*
     * Execute the "run" method.
     *
     * At this point our stack is empty, so somebody who comes looking for
     * stack traces right now won't have much to look at.  This is normal.
     */
    Method* run = self->threadObj->clazz->vtable[gDvm.voffJavaLangThread_run];
    JValue unused;

    ALOGV("threadid=%d: calling run()", self->threadId);
    assert(strcmp(run->name, "run") == 0);
    dvmCallMethod(self, run, self->threadObj, &unused);
    ALOGV("threadid=%d: exiting", self->threadId);

    /*
     * Remove the thread from various lists, report its death, and free
     * its resources.
     */
    dvmDetachCurrentThread();

    return NULL;
}

/*
 * Finish initialization of a Thread struct.
 *
 * This must be called while executing in the new thread, but before the
 * thread is added to the thread list.
 *
 * NOTE: The threadListLock must be held by the caller (needed for
 * assignThreadId()).
 */
static bool prepareThread(Thread* thread)
{
    assignThreadId(thread);
    thread->handle = pthread_self();
    thread->systemTid = dvmGetSysThreadId();

    setThreadSelf(thread);

    return true;
}

/*
 * Explore our sense of self.  Stuffs the thread pointer into TLS.
 */
static void setThreadSelf(Thread* thread)
{
    int cc;

    cc = pthread_setspecific(gDvm.pthreadKeySelf, thread);

}

首先从Android Thread获得name，然后通过prepareThread设置线程的一些属性。并调用setThreadSelf方法，把dalvik thread放入TLS。

然后执行Android Thread的run方法。

    public void run() {
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }

至此，通过操作系统提供的接口，thread里面的run方法，在新线程中运行起来了！

本文参考：

1.《深入理解android内核设计思想》林学森

2.《Android内核剖析》

3.罗朝辉  http://www.cppblog.com/kesalin/archive/2014/07/11/android_thread_impl.html

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