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[操作系统]android 进程/线程管理(二)


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。

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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();}
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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。

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