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Java离Linux内核有多远?

Java 离内核有多远?

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玩内核的人怎么也懂 Java?这主要得益于我学校的 Java 课程和毕业那会在华为做 Android 手机的经历,几个模块从 APP/Framework/Service/HAL/Driver 扫过一遍,自然对 Java 有所了解。

每次提起 Java,我都会想到一段有趣的经历。刚毕业到部门报到第一个星期,部门领导(在华为算是 Manager)安排我们熟悉 Android。我花了几天写了个 Android 游戏,有些类似连连看那种。开周会的时候,领导看到我的演示后,一脸不悦,质疑我的直接领导(在华为叫 PL,Project Leader)没有给我们讲明白部门的方向。

emm,我当时确实没明白所谓的熟悉 Android 是该干啥,后来 PL 说,是要熟悉 xxx 模块,APP 只是其中一部分。话说如果当时得到的是肯定,也许我现在就是一枚 Java 工程师了(哈哈手动狗头)。

从 launcher 说起

世界上最远的距离,是咱俩坐隔壁,我在看底层协议,而你在研究 spring……如果想拉近咱俩的距离,先下载 openjdk 源码,然后下载 glibc,再下载内核源码。

Java 程序到 JVM,这个大家肯定比我熟悉,就不班门弄斧了。

我们就从 JVM 的入口为例,分析 JVM 到内核的流程,入口就是 main 函数了(java.base/share/native/launcher/main.c):

JNIEXPORT int
main(int argc, char **argv)
{
    //中间省略一万行参数处理代码
    return JLI_Launch(margc, margv,
                   jargc, (const char**) jargv,
                   0, NULL,
                   VERSION_STRING,
                   DOT_VERSION,
                   (const_progname != NULL) ? const_progname : *margv,
                   (const_launcher != NULL) ? const_launcher : *margv,
                   jargc > 0,
                   const_cpwildcard, const_javaw, 0);
}

JLI_Launch 做了三件我们关心的事。

首先,调用 CreateExecutionEnvironment 查找设置环境变量,比如 JVM 的路径(下面的变量 jvmpath),以我的平台为例,就是 /usr/lib/jvm/java-14-openjdk-amd64/lib/server/libjvm.so,window 平台可能就是 libjvm.dll。

其次,调用 LoadJavaVM 加载 JVM,就是 libjvm.so 文件,然后找到创建 JVM 的函数赋值给 InvocationFunctions 的对应字段:

jboolean LoadJavaVM(const char *jvmpath, InvocationFunctions *ifn)
{
void *libjvm;
//省略出错处理
    libjvm = dlopen(jvmpath, RTLD_NOW + RTLD_GLOBAL);
    ifn->CreateJavaVM = (CreateJavaVM_t)
        dlsym(libjvm, "JNI_CreateJavaVM");
    ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs = (GetDefaultJavaVMInitArgs_t)
        dlsym(libjvm, "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs");
    ifn->GetCreatedJavaVMs = (GetCreatedJavaVMs_t)
        dlsym(libjvm, "JNI_GetCreatedJavaVMs");
    return JNI_TRUE;
}

dlopen 和 dlsym 涉及动态链接,简单理解就是 libjvm.so 包含 JNI_CreateJavaVM、JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs 和 JNI_GetCreatedJavaVMs 的定义,动态链接完成后,ifn->CreateJavaVM、ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs 和 ifn->GetCreatedJavaVMs 就是这些函数的地址。

不妨确认下 libjvm.so 有这三个函数。

objdump -D /usr/lib/jvm/java-14-openjdk-amd64/lib/server/libjvm.so | grep -E
"CreateJavaVM|GetDefaultJavaVMInitArgs|GetCreatedJavaVMs" | grep ":$"
00000000008fa9d0 <JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs@@SUNWprivate_1.1>:
00000000008faa20 <JNI_GetCreatedJavaVMs@@SUNWprivate_1.1>:
00000000009098e0 <JNI_CreateJavaVM@@SUNWprivate_1.1>:

openjdk 源码里有这些实现的(hotspot/share/prims/下),有兴趣的同学可以继续钻研。

最后,调用 JVMInit 初始化 JVM,load Java 程序。

JVMInit 调用 ContinueInNewThread,后者调用 CallJavaMainInNewThread。插一句,我是真的不喜欢按照函数调用的方式讲述问题,a 调用 b,b 又调用 c,简直是在浪费篇幅,但是有些地方跨度太大又怕引起误会(尤其对初学者而言)。相信我,注水,是真没有,我不需要经验+3 哈哈。

CallJavaMainInNewThread 的主要逻辑如下:

int CallJavaMainInNewThread(jlong stack_size, void* args) {
    int rslt;
    pthread_t tid;
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
    if (stack_size > 0) {
        pthread_attr_setstacksize(&attr, stack_size);
    }
    pthread_attr_setguardsize(&attr, 0); // no pthread guard page on java threads
    if (pthread_create(&tid, &attr, ThreadJavaMain, args) == 0) {
        void* tmp;
        pthread_join(tid, &tmp);
        rslt = (int)(intptr_t)tmp;
    }
   else {
        rslt = JavaMain(args);
    }
    pthread_attr_destroy(&attr);
    return rslt;
}

看到 pthread_create 了吧,破案了,Java 的线程就是通过 pthread 实现的。此处就可以进入内核了,但是我们还是先继续看看 JVM。ThreadJavaMain 直接调用了 JavaMain,所以这里的逻辑就是,如果创建线程成功,就由新线程执行 JavaMain,否则就知道在当前进程执行JavaMain。

JavaMain 是我们关注的重点,核心逻辑如下:

int JavaMain(void* _args)
{
    JavaMainArgs *args = (JavaMainArgs *)_args;
    int argc = args->argc;
    char **argv = args->argv;
    int mode = args->mode;
    char *what = args->what;
    InvocationFunctions ifn = args->ifn;
    JavaVM *vm = 0;
    JNIEnv *env = 0;
    jclass mainClass = NULL;
    jclass appClass = NULL; // actual application class being launched
    jmethodID mainID;
    jobjectArray mainArgs;
    int ret = 0;
    jlong start, end;
    /* Initialize the virtual machine */
    if (!InitializeJVM(&vm, &env, &ifn)) {    //1
        JLI_ReportErrorMessage(JVM_ERROR1);
        exit(1);
    }
    mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);    //2
    CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainClass);
    mainArgs = CreateApplicationArgs(env, argv, argc);
    CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainArgs);
    mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
                                       "([Ljava/lang/String;)V");    //3
    CHECK_EXCEPTION_NULL_LEAVE(mainID);
    /* Invoke main method. */
    (*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);    //4
    ret = (*env)->ExceptionOccurred(env) == NULL ? 0 : 1;
    LEAVE();
}

第 1 步,调用 InitializeJVM 初始化 JVM。InitializeJVM 会调用 ifn->CreateJavaVM,也就是libjvm.so 中的 JNI_CreateJavaVM。

第 2 步,LoadMainClass,最终调用的是 JVM_FindClassFromBootLoader,也是通过动态链接找到函数(定义在 hotspot/share/prims/ 下),然后调用它。

第 3 和第 4 步,Java 的同学应该知道,这就是调用 main 函数。

有点跑题了……我们继续以 pthread_create 为例看看内核吧。

其实,pthread_create 离内核还有一小段距离,就是 glibc(nptl/pthread_create.c)。创建线程最终是通过 clone 系统调用实现的,我们不关心 glibc 的细节(否则又跑偏了),就看看它跟直接 clone 的不同。

以下关于线程的讨论从书里摘抄过来。

const int clone_flags = (CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SYSVSEM
   | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD
   | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID
   | CLONE_CHILD_CLEARTID
   | 0);
__clone (&start_thread, stackaddr, clone_flags, pd, &pd->tid, tp, &pd->tid);

各个标志的说明如下表(这句话不是摘抄的。。。)。

与当前进程共享 VM、共享文件系统信息、共享打开的文件……看到这些我们就懂了,所谓的线程是这么回事。

Linux 实际上并没有从本质上将进程和线程分开,线程又被称为轻量级进程(Low Weight Process, LWP),区别就在于线程与创建它的进程(线程)共享内存、文件等资源。

完整的段落如下(双引号扩起来的几个段落),有兴趣的同学可以详细阅读:

“ fork 传递至 _do_fork 的 clone_flags 参数是固定的,所以它只能用来创建进程,内核提供了另一个系统调用 clone,clone 最终也调用 _do_fork 实现,与 fork 不同的是用户可以根据需要确定 clone_flags,我们可以使用它创建线程,如下(不同平台下 clone 的参数可能不同):

SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,
 int __user *, parent_tidptr, int, tls_val, int __user *, child_tidptr)
{
return _do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);
}

Linux 将线程当作轻量级进程,但线程的特性并不是由 Linux 随意决定的,应该尽量与其他操作系统兼容,为此它遵循 POSIX 标准对线程的要求。所以,要创建线程,传递给 clone 系统调用的参数也应该是基本固定的。

创建线程的参数比较复杂,庆幸的是 pthread(POSIX thread)为我们提供了函数,调用pthread_create 即可,函数原型(用户空间)如下。

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);

第一个参数 thread 是一个输出参数,线程创建成功后,线程的 id 存入其中,第二个参数用来定制新线程的属性。新线程创建成功会执行 start_routine 指向的函数,传递至该函数的参数就是arg。

pthread_create 究竟如何调用 clone 的呢,大致如下:

//来源: glibc
const int clone_flags = (CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SYSVSEM
   | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD
   | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID
   | CLONE_CHILD_CLEARTID
   | 0);
__clone (&start_thread, stackaddr, clone_flags, pd, &pd->tid, tp, &pd->tid);

clone_flags 置位的标志较多,前几个标志表示线程与当前进程(有可能也是线程)共享资源,CLONE_THREAD 意味着新线程和当前进程并不是父子关系。

clone 系统调用最终也通过 _do_fork 实现,所以它与创建进程的 fork 的区别仅限于因参数不同而导致的差异,有以下两个疑问需要解释。

首先,vfork 置位了 CLONE_VM 标志,导致新进程对局部变量的修改会影响当前进程。那么同样置位了 CLONE_VM 的 clone,也存在这个隐患吗?答案是没有,因为新线程指定了自己的用户栈,由 stackaddr 指定。copy_thread 函数的 sp 参数就是 stackaddr,childregs->sp = sp 修改了新线程的 pt_regs,所以新线程在用户空间执行的时候,使用的栈与当前进程的不同,不会造成干扰。那为什么 vfork 不这么做,请参考 vfork 的设计意图。

其次,fork 返回了两次,clone 也是一样,但它们都是返回到系统调用后开始执行,pthread_create 如何让新线程执行 start_routine 的?start_routine 是由 start_thread 函数间接执行的,所以我们只需要清楚 start_thread 是如何被调用的。start_thread 并没有传递给 clone 系统调用,所以它的调用与内核无关,答案就在 __clone 函数中。

为了彻底明白新进程是如何使用它的用户栈和 start_thread 的调用过程,有必要分析 __clone 函数了,即使它是平台相关的,而且还是由汇编语言写的。

/*i386*/
ENTRY (__clone)
movl	$-EINVAL,%eax
movl	FUNC(%esp),%ecx	/* no NULL function pointers */
testl	%ecx,%ecx
jz	SYSCALL_ERROR_LABEL
movl	STACK(%esp),%ecx	/* no NULL stack pointers */    //1
testl	%ecx,%ecx
jz	SYSCALL_ERROR_LABEL
andl	$0xfffffff0, %ecx  /*对齐*/    //2
subl	$28,%ecx
movl	ARG(%esp),%eax	/* no negative argument counts */
movl	%eax,12(%ecx)
movl	FUNC(%esp),%eax
movl	%eax,8(%ecx)
movl	$0,4(%ecx)
pushl	%ebx    //3
pushl	%esi
pushl	%edi
movl	TLS+12(%esp),%esi    //4
movl	PTID+12(%esp),%edx
movl	FLAGS+12(%esp),%ebx
movl	CTID+12(%esp),%edi
movl	$SYS_ify(clone),%eax
movl	%ebx, (%ecx)    //5
int	$0x80    //6
popl	%edi    //7
popl	%esi
popl	%ebx
test	%eax,%eax    //8
jl	SYSCALL_ERROR_LABEL
jz	L(thread_start)
ret    //9
L(thread_start):    //10
movl	%esi,%ebp	/* terminate the stack frame */
testl	$CLONE_VM, %edi
je	L(newpid)
L(haspid):
call	*%ebx
/*…*/

以 __clone (&start_thread, stackaddr, clone_flags, pd, &pd->tid, tp, &pd->tid) 为例,

FUNC(%esp) 对应 &start_thread,

STACK(%esp) 对应 stackaddr,

ARG(%esp) 对应 pd(新进程传递给 start_thread 的参数)。

  • 第 1 步,将新进程的栈 stackaddr 赋值给 ecx,确保它的值不为 0。
  • 第 2 步,将 pd、&start_thread 和 0 存入新线程的栈,对当前进程的栈无影响。
  • 第 3 步,将当前进程的三个寄存器的值入栈,esp寄存器的值相应减12。
  • 第 4 步,准备系统调用,其中将 FLAGS+12(%esp) 存入 ebx,对应 clone_flags,将clone 的系统调用号存入 eax。
  • 第 5 步,将 clone_flags 存入新进程的栈中。
  • 第 6 步,使用 int 指令发起系统调用,交给内核创建新线程。截止到此处,所有的代码都是当前进程执行的,新线程并没有执行。
  • 从第 7 步开始的代码,当前进程和新线程都会执行。对当前进程而言,程序将它第 3 步入栈的寄存器出栈。但对新线程而言,它是从内核的 ret_from_fork 执行的,切换到用户态后,它的栈已经成为 stackaddr 了,所以它的 edi 等于 clone_flags,esi 等于 0,ebx 等于&start_thread。
  • 系统调用的结果由 eax 返回,第 8 步判断 clone 系统调用的结果,对当前进程而言,clone 系统调用如果成功返回的是新线程在它的 pid namespace 中的 id,大于 0,所以它执行 ret 退出 __clone 函数。对新线程而言,clone 系统调用的返回值等于 0,所以它执行L(thread_start) 处的代码。clone_flags 的 CLONE_VM 标志被置位的情况下,会执行 call *%ebx,ebx 等于 &start_thread,至此 start_thread 得到了执行,它又调用了提供给pthread_create 的 start_routine,结束。”

如此看来,Java → JVM → glibc → 内核,好像也没有多远。

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