java中的进程与线程及java对象的内存结构【转】

使用内核线程实现

3、Java 进程与操作系统进程

 在 JDK 的代码中，只提供了 ProcessImpl 类来实现 Process 抽象类。其中引用了 native 的 create, close, waitfor, destory 和 exitValue 方法。在 Java 中，native 方法是依赖于操作系统平台的本地方法，它的实现是用 C/C++ 等类似的底层语言实现。我们可以在 JVM 的源代码中找到对应的本地方法，然后对其进行分析。JVM 对进程的实现相对比较简单，以 Windows 下的 JVM 为例。在 JVM 中，将 Java 中调用方法时的传入的参数传递给操作系统对应的方法来实现相应的功能。对应关系如下图：

每个 JVM 中创建的进程都对应了操作系统中的一个进程。但是，Java 为了给用户更好的更方便的使用，向用户屏蔽了一些与平台相关的信息，这为用户需要使用的时候，带来了些许不便。

在使用 C/C++ 创建系统进程的时候，是可以获得进程的 PID 值的，可以直接通过该 PID 去操作相应进程。但是在 JAVA 中，用户只能通过实例的引用去进行操作，当该引用丢失或者无法取得的时候，就无法了解任何该进程的信息。

当然，Java 进程在使用的时候还有些要注意的事情：

1. Java 提供的输入输出的管道容量是十分有限的，如果不及时读取会导致进程挂起甚至引起死锁。
2. 当创建进程去执行 Windows 下的系统命令时，如：dir、copy 等。需要运行 windows 的命令解释器，command.exe/cmd.exe，这依赖于 windows 的版本，这样才可以运行系统的命令。
3. 对于 Shell 中的管道 ‘ | ’命令，各平台下的重定向命令符 ‘ > ’，都无法通过命令参数直接传入进行实现，而需要在 Java 代码中做一些处理，如定义新的流来存储标准输出，等等问题。

总之，Java 中对操作系统的进程进行了封装，屏蔽了操作系统进程相关的信息。同时，在使用 Java 提供创建进程运行本地命令的时候，需要小心使用。

一般而言，使用进程是为了执行某项任务，而现代操作系统对于执行任务的计算资源的配置调度一般是以线程为对象（早期的类 Unix 系统因为不支持线程，所以进程也是调度单位，但那是比较轻量级的进程，在此不做深入讨论）。创建一个进程，操作系统实际上还是会为此创建相应的线程以运行一系列指令。特别地，当一个任务比较庞大复杂，可能需要创建多个线程以实现逻辑上并发执行的时候，线程的作用更为明显。因而我们有必要深入了解 Java 中的线程，以避免可能出现的问题。

从概念上来说，一个 Java 线程的创建根本上就对应了一个本地线程（native thread）的创建，两者是一一对应的。 问题是，本地线程执行的应该是本地代码，而 Java 线程提供的线程函数是 Java 方法，编译出的是 Java 字节码，所以可以想象的是， Java 线程其实提供了一个统一的线程函数，该线程函数通过 Java 虚拟机调用 Java 线程方法 , 这是通过 Java 本地方法调用来实现的。

以下是 Thread#start 方法的示例：

 public synchronized void start() { 
     …
     start0(); 
     …
 }

可以看到它实际上调用了本地方法 start0, 该方法的声明如下：

private native void start0();

Thread 类有个 registerNatives 本地方法，该方法主要的作用就是注册一些本地方法供 Thread 类使用，如 start0()，stop0() 等等，可以说，所有操作本地线程的本地方法都是由它注册的 . 这个方法放在一个 static 语句块中，这就表明，当该类被加载到 JVM 中的时候，它就会被调用，进而注册相应的本地方法。

 private static native void registerNatives(); 
  static{ 
       registerNatives(); 
  }

本地方法 registerNatives 是定义在 Thread.c 文件中的。Thread.c 是个很小的文件，定义了各个操作系统平台都要用到的关于线程的公用数据和操作，如代码清单 2 所示。

清单 2

 JNIEXPORT void JNICALL 
 Java_Java_lang_Thread_registerNatives (JNIEnv *env, jclass cls){ 
   (*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, ARRAY_LENGTH(methods)); 
 } 
 static JNINativeMethod methods[] = { 
    {"start0", "()V",(void *)&JVM_StartThread}, 
    {"stop0", "(" OBJ ")V", (void *)&JVM_StopThread}, 
	 {"isAlive","()Z",(void *)&JVM_IsThreadAlive}, 
	 {"suspend0","()V",(void *)&JVM_SuspendThread}, 
	 {"resume0","()V",(void *)&JVM_ResumeThread}, 
	 {"setPriority0","(I)V",(void *)&JVM_SetThreadPriority}, 
	 {"yield", "()V",(void *)&JVM_Yield}, 
	 {"sleep","(J)V",(void *)&JVM_Sleep}, 
	 {"currentThread","()" THD,(void *)&JVM_CurrentThread}, 
	 {"countStackFrames","()I",(void *)&JVM_CountStackFrames}, 
	 {"interrupt0","()V",(void *)&JVM_Interrupt}, 
	 {"isInterrupted","(Z)Z",(void *)&JVM_IsInterrupted}, 
	 {"holdsLock","(" OBJ ")Z",(void *)&JVM_HoldsLock}, 
	 {"getThreads","()[" THD,(void *)&JVM_GetAllThreads}, 
	 {"dumpThreads","([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads}, 
 };

到此，可以容易的看出 Java 线程调用 start 的方法，实际上会调用到 JVM_StartThread 方法，那这个方法又是怎样的逻辑呢。实际上，我们需要的是（或者说 Java 表现行为）该方法最终要调用 Java 线程的 run 方法，事实的确如此。 在 jvm.cpp 中，有如下代码段：

 JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread)) 
	…
	 native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz); 
	…

这里JVM_ENTRY是一个宏，用来定义JVM_StartThread 函数，可以看到函数内创建了真正的平台相关的本地线程，其线程函数是 thread_entry，如清单 3 所示。

清单 3

 static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) { 
    HandleMark hm(THREAD); 
	 Handle obj(THREAD, thread->threadObj()); 
	 JavaValue result(T_VOID); 
	 JavaCalls::call_virtual(&result,obj, 
	 KlassHandle(THREAD,SystemDictionary::Thread_klass()), 
	 vmSymbolHandles::run_method_name(), 
 vmSymbolHandles::void_method_signature(),THREAD); 
 }

可以看到调用了 vmSymbolHandles::run_method_name 方法，这是在 vmSymbols.hpp 用宏定义的：

 class vmSymbolHandles: AllStatic { 
	…
	 template(run_method_name,"run") 
	…
 }

至于 run_method_name 是如何声明定义的，因为涉及到很繁琐的代码细节，本文不做赘述。感兴趣的读者可以自行查看 JVM 的源代码。