面试题：Java线程启动过程中run和start方法底层交互机制

Question

详细描述Java线程从调用`start`方法开始，到最终执行`run`方法，这一过程中JVM底层是如何进行线程创建、调度以及两者之间的交互机制，涉及到哪些关键的系统资源和JVM组件？

Answer 1

线程创建过程

1. start方法调用：当在Java代码中调用线程实例的start方法时，首先会触发一系列的Java层检查，例如确保线程尚未启动等。
2. 本地方法调用：start方法内部调用了本地方法start0，这是一个JNI（Java Native Interface）方法。这个本地方法由JVM的C/C++ 代码实现。
3. 操作系统线程创建：在JVM的C/C++ 实现中，会通过操作系统提供的线程创建函数（如在Linux上可能是pthread_create，在Windows上可能是CreateThread）来创建一个真正的操作系统线程。这一步涉及到操作系统内核资源的分配，例如为线程分配栈空间等。

线程调度

1. 线程状态转换：线程创建后，进入NEW状态，调用start方法后，线程进入RUNNABLE状态。RUNNABLE状态意味着线程具备了运行的条件，但并不一定正在运行，它需要等待JVM的线程调度器分配CPU时间片。
2. 线程调度器：JVM拥有自己的线程调度器，它负责管理和调度处于RUNNABLE状态的线程。调度器基于一定的调度算法（如抢占式调度）来决定哪个线程可以获得CPU时间片执行。在抢占式调度中，具有较高优先级的线程可以抢占正在运行的低优先级线程的CPU时间片。
3. 操作系统协作：JVM的线程调度器与操作系统的线程调度机制相互协作。操作系统提供了基本的线程调度功能，JVM在其基础上进行更细粒度的Java线程管理。例如，当一个Java线程因为I/O操作等原因进入BLOCKED或WAITING状态时，JVM会通知操作系统释放相应的CPU资源，当线程重新进入RUNNABLE状态时，等待JVM调度器再次分配CPU时间片。

关键系统资源和JVM组件

1. 系统资源：
   • CPU资源：线程执行需要CPU时间片，操作系统和JVM调度器共同管理CPU资源的分配。
   • 内存资源：每个线程都有自己独立的栈空间用于存储局部变量、方法调用等信息，这需要分配内存资源。同时，线程之间共享堆内存等其他内存区域。
   • 文件描述符等资源：如果线程涉及I/O操作，会使用到文件描述符等系统资源。
2. JVM组件：
   • Java线程对象：在Java层面代表线程，包含线程的状态、优先级等信息，以及start、run等方法。
   • JNI：作为Java与本地代码的桥梁，负责在Java层调用本地方法来创建和管理操作系统线程。
   • JVM线程调度器：负责在Java层面调度处于RUNNABLE状态的线程，决定线程何时获得CPU时间片执行。
   • 运行时数据区：其中的栈空间为每个线程私有，堆空间为线程共享，这些数据区为线程执行提供了内存环境。