2014年4月29日星期二

Java_010:JVM内部线程功能说明(摘录+整理)

JDK 版本:Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 24.51-b03, mixed mode)

下面的输出是一个典型的HotSpot JVM的thread dump,以此为例,来说明一下JVM的内部线程功能。

2014-04-29 17:59:54
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (24.51-b03 mixed mode):

"Attach Listener" daemon prio=5 tid=0x00007fc6b6800800 nid=0x3b07 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"DestroyJavaVM" prio=5 tid=0x00007fc6b3001000 nid=0x1903 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Service Thread" daemon prio=5 tid=0x00007fc6b3840000 nid=0x5303 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C2 CompilerThread1" daemon prio=5 tid=0x00007fc6b280f800 nid=0x5103 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C2 CompilerThread0" daemon prio=5 tid=0x00007fc6b5035800 nid=0x4f03 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Signal Dispatcher" daemon prio=5 tid=0x00007fc6b502e000 nid=0x4d03 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Finalizer" daemon prio=5 tid=0x00007fc6b2818800 nid=0x3903 in Object.wait() [0x000000011fda0000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x00000007000049a0> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:135)
- locked <0x00000007000049a0> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:151)
at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:189)

"Reference Handler" daemon prio=5 tid=0x00007fc6b2815800 nid=0x3703 in Object.wait() [0x000000011fc9d000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x0000000700006b00> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
at java.lang.Object.wait(Object.java:503)
at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:133)
- locked <0x0000000700006b00> (a java.lang.ref.Reference$Lock)

"VM Thread" prio=5 tid=0x00007fc6b383e800 nid=0x3503 runnable

"GC task thread#0 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b480d000 nid=0x2503 runnable

"GC task thread#1 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2812000 nid=0x2703 runnable

"GC task thread#2 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2812800 nid=0x2903 runnable

"GC task thread#3 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2813000 nid=0x2b03 runnable

"GC task thread#4 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2813800 nid=0x2d03 runnable

"GC task thread#5 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2814800 nid=0x2f03 runnable

"GC task thread#6 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2815000 nid=0x3103 runnable

"GC task thread#7 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b3801000 nid=0x3303 runnable

"VM Periodic Task Thread" prio=5 tid=0x00007fc6b502f000 nid=0x5503 waiting on condition

JNI global references: 159


1. Attach Listener 
负责接收到外部的命令,而对该命令进行执行的并且吧结果返回给发送者。
通常我们会用一些命令去要求jvm给我们一些反馈信息,如:java -version、jmap、jstack等等。 如果该线程在jvm启动的时候没有初始化,那么,则会在用户第一次执行jvm命令时,得到启动。

2. DestroyJavaVM
执行main()的线程在main执行完后调用JNI中的 jni_DestroyJavaVM() 方法唤起DestroyJavaVM 线程。
JVM在 Jboss 服务器启动之后,就会唤起DestroyJavaVM线程,处于等待状态,等待其它线程(java线程和native线程)退出时通知它卸载JVM。线程退出时,都会判断自己当前是否是整个JVM中最后一个非deamon线程,如果是,则通知DestroyJavaVM 线程卸载JVM。
(1)如果线程退出时判断自己不为最后一个非deamon线程,那么调用thread->exit(false) ,并在其中抛出thread_end事件,jvm不退出。
(2)如果线程退出时判断自己为最后一个非deamon线程,那么调用before_exit() 方法,抛出两个事件:thread_end 线程结束事件和VM的death事件。
然后调用thread->exit(true) 方法,接下来把线程从active list卸下,删除线程等等一系列工作执行完成后,则通知正在等待的DestroyJavaVM 线程执行卸载JVM操作。

3. Service Thread

4. CompilerThread0
用来调用JITing,实时编译装卸CLASS。
通常JVM会启动多个线程来处理这部分工作,线程名称后面的数字也会累加,比如CompilerThread1。

5. Signal Dispatcher
Attach Listener线程的职责是接收外部jvm命令,当命令接收成功后,会交给signal dispather 线程去进行分发到各个不同的模块处理命令,并且返回处理结果。
signal dispather线程也是在第一次接收外部jvm命令时,进行初始化工作。

6. Finalizer
这个线程也是在main线程之后创建的,其优先级为10,主要用于在垃圾收集前,调用对象的finalize()方法;关于Finalizer线程的几点:
(1)只有当开始一轮垃圾收集时,才会开始调用finalize()方法;因此并不是所有对象的finalize()方法都会被执行;
(2)该线程也是daemon线程,因此如果虚拟机中没有其他非daemon线程,不管该线程有没有执行完finalize()方法,JVM也会退出;
(3)JVM在垃圾收集时会将失去引用的对象包装成Finalizer对象(Reference的实现),并放入ReferenceQueue,由Finalizer线程来处理;最后将该Finalizer对象的引用置为null,由垃圾收集器来回收;
(4)JVM为什么要单独用一个线程来执行finalize()方法呢?
如果JVM的垃圾收集线程自己来做,很有可能由于在finalize()方法中误操作导致GC线程停止或不可控,这对GC线程来说是一种灾难。

7. Reference Handler
JVM在创建main线程后就创建Reference Handler线程,其优先级最高,为10,它主要用于处理引用对象本身(软引用、弱引用、虚引用)的垃圾回收问题 。

8. VM Thread
这个线程比较牛,是JVM里面的线程母体,根据hotspot源码:vmThread.hpp里面的注释,它是一个单例的对象(最原始的线程)会产生或触发所有其他的线程,这个单个的VM线程是会被其他线程所使用来做一些VM操作(如清扫垃圾等)。
在 VM Thread 的结构体里有一个VMOperationQueue列队,所有的VM线程操作(vm_operation)都会被保存到这个列队当中,VMThread 本身就是一个线程,它的线程负责执行一个自轮询的loop函数(具体可以参考:VMThread.cpp里面的void VMThread::loop()) ,该loop函数从VMOperationQueue列队中按照优先级取出当前需要执行的操作对象(VM_Operation),并且调用VM_Operation->evaluate函数去执行该操作类型本身的业务逻辑。
VM操作类型被定义在vm_operations.hpp文件内,列举几个:ThreadStop、ThreadDump、PrintThreads、GenCollectFull、GenCollectFullConcurrent、CMS_Initial_Mark、CMS_Final_Remark….. 有兴趣的同学,可以自己去查看源文件。

9. GC task thread#0 (ParallelGC)
垃圾回收线程,负责垃圾回收。
通常JVM会启动多个线程来处理这部分工作,线程名称中#后面的数字也会累加,比如GC task thread#1 (ParallelGC)。

10. VM Periodic Task Thread
该线程是JVM周期性任务调度的线程,它由WatcherThread创建,是一个单例对象。
该线程在JVM内使用得比较频繁,比如:定期的内存监控、JVM运行状况监控。
可以使用jstat 命令查看GC的情况,比如查看某个进程没有存活必要的引用:
jstat -gcutil 23483 250 7
让JVM在控制台输出pid=23483的没有存活必要的引用情况,间隔250毫秒打印一次,一共打印7次。
这对于防止因为应用代码中直接使用native库或者第三方的一些监控工具的内存泄漏有非常大的帮助。

11.  JNI (Java Native Interface) global reference count
全局引用也是受垃圾回收器管理。
它的作用是防止回收到那些在native代码上还是被引用的,但是在java代码中却没有存活必要的引用。
对于防止因为应用代码中直接使用native库或者第三方的一些监控工具的内存泄漏有非常大的帮助。

如果启动Java程序时,增加了参数:-XX:+UseConcMarkSweepGC,表明将启用CMS (Concurrent Mark-Sweep)GC Thread,下面就是设置CMS GC后的thread dump:

2014-04-30 11:52:02
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (24.51-b03 mixed mode):

"Attach Listener" daemon prio=5 tid=0x00007fb6838bf000 nid=0x4a0b waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"DestroyJavaVM" prio=5 tid=0x00007fb683945000 nid=0x1903 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Service Thread" daemon prio=5 tid=0x00007fb682821000 nid=0x5b03 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C2 CompilerThread1" daemon prio=5 tid=0x00007fb682834800 nid=0x5903 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C2 CompilerThread0" daemon prio=5 tid=0x00007fb6838c7000 nid=0x5703 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Signal Dispatcher" daemon prio=5 tid=0x00007fb683001000 nid=0x5503 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Surrogate Locker Thread (Concurrent GC)" daemon prio=5 tid=0x00007fb6838bd000 nid=0x521f waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Finalizer" daemon prio=5 tid=0x00007fb6838bc800 nid=0x3f03 in Object.wait() [0x0000000111e4c000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x00000007247b8780> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:135)
- locked <0x00000007247b8780> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:151)
at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:189)

"Reference Handler" daemon prio=5 tid=0x00007fb68300f000 nid=0x3d03 in Object.wait() [0x0000000111d49000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x00000007247b0830> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
at java.lang.Object.wait(Object.java:503)
at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:133)
- locked <0x00000007247b0830> (a java.lang.ref.Reference$Lock)

"VM Thread" prio=5 tid=0x00007fb68403c800 nid=0x3b03 runnable

"Gang worker#0 (Parallel GC Threads)" prio=5 tid=0x00007fb683800000 nid=0x2503 runnable

"Gang worker#1 (Parallel GC Threads)" prio=5 tid=0x00007fb683801000 nid=0x2703 runnable

"Gang worker#2 (Parallel GC Threads)" prio=5 tid=0x00007fb68281e800 nid=0x2903 runnable

"Gang worker#3 (Parallel GC Threads)" prio=5 tid=0x00007fb683801800 nid=0x2b03 runnable

"Gang worker#4 (Parallel GC Threads)" prio=5 tid=0x00007fb683002000 nid=0x2d03 runnable

"Gang worker#5 (Parallel GC Threads)" prio=5 tid=0x00007fb683003000 nid=0x2f03 runnable

"Gang worker#6 (Parallel GC Threads)" prio=5 tid=0x00007fb683003800 nid=0x3103 runnable

"Gang worker#7 (Parallel GC Threads)" prio=5 tid=0x00007fb683802000 nid=0x3303 runnable

"Concurrent Mark-Sweep GC Thread" prio=5 tid=0x00007fb6838ba000 nid=0x3903 runnable
"Gang worker#0 (Parallel CMS Threads)" prio=5 tid=0x00007fb6838b8800 nid=0x3503 runnable

"Gang worker#1 (Parallel CMS Threads)" prio=5 tid=0x00007fb6838b9000 nid=0x3703 runnable

"VM Periodic Task Thread" prio=5 tid=0x00007fb682820000 nid=0x5d03 waiting on condition

JNI global references: 159

可以看出,多了以下线程:

12. Concurrent Mark-Sweep GC Thread
并发标记清除垃圾回收器(就是通常所说的CMS GC)线程, 该线程主要针对于年老代垃圾回收。

13. Surrogate Locker Thread (Concurrent GC)
这个线程主要用于配合CMS垃圾回收器使用,它是一个守护线程,其主要负责处理GC过程中,Java层的Reference(指软引用、弱引用等等)与jvm 内部层面的对象状态同步。 这里对它们的实现稍微做一下介绍:这里拿 WeakHashMap做例子,将一些关键点先列出来(我们后面会将这些关键点全部串起来):
(1)我们知道HashMap用Entry[]数组来存储数据的,WeakHashMap也不例外, 内部有一个Entry[]数组。
(2)WeakHashMap的Entry比较特殊,它的继承体系结构为Entry->WeakReference->Reference 。
(3)Reference 里面有一个全局锁对象:Lock,它也被称为pending_lock.    注意:它是静态对象。
(4)Reference  里面有一个静态变量:pending。
(5)Reference  里面有一个静态内部类:ReferenceHandler的线程,它在static块里面被初始化并且启动,启动完成后处于wait状态,它在一个Lock同步锁模块中等待。
(6)另外,WeakHashMap里面还实例化了一个ReferenceQueue列队,这个列队的作用,后面会提到。
(7)上面关键点就介绍完毕了,下面我们把他们串起来。
假设,WeakHashMap对象里面已经保存了很多对象的引用。 JVM 在进行CMS GC的时候,会创建一个ConcurrentMarkSweepThread(简称CMST)线程去进行GC,ConcurrentMarkSweepThread线程被创建的同时会创建一个SurrogateLockerThread(简称SLT)线程并且启动它,SLT启动之后,处于等待阶段。CMST开始GC时,会发一个消息给SLT让它去获取Java层Reference对象的全局锁:Lock。 直到CMS GC完毕之后,JVM 会将WeakHashMap中所有被回收的对象所属的WeakReference容器对象放入到Reference 的pending属性当中(每次GC完毕之后,pending属性基本上都不会为null了),然后通知SLT释放并且notify全局锁:Lock。此时激活了ReferenceHandler线程的run方法,使其脱离wait状态,开始工作了。ReferenceHandler这个线程会将pending中的所有WeakReference对象都移动到它们各自的列队当中,比如当前这个WeakReference属于某个WeakHashMap对象,那么它就会被放入相应的ReferenceQueue列队里面(该列队是链表结构)。 当我们下次从WeakHashMap对象里面get、put数据或者调用size方法的时候,WeakHashMap就会将ReferenceQueue列队中的WeakReference依依poll出来去和Entry[]数据做比较,如果发现相同的,则说明这个Entry所保存的对象已经被GC掉了,那么将Entry[]内的Entry对象剔除掉。

14. 原来的垃圾回收线程GC task thread#0 (ParallelGC) 被替换为 Gang worker#0 (Parallel GC Threads)
垃圾回收线程,负责垃圾回收。
通常JVM会启动多个线程来处理这部分工作,线程名称中#后面的数字也会累加,比如GC task thread#1 (Parallel GC Threads)
Gang worker 是JVM用于做年轻代垃圾回收(minor gc)的线程。

参考文献:
1. http://blog.csdn.net/a43350860/article/details/8134234

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