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JVM除錯常用命令——jstack命令與Java執行緒棧（2）

阿新 • • 發佈：2018-12-03

（接上文《JVM除錯常用命令——jstack命令與Java執行緒棧（1）》）

1.2、jstack中的執行緒關鍵資訊

上一篇文章中我們介紹了jstack命令的基本使用，也列舉了一個比較簡單的示例。雖然之前的文章內容中沒有介紹查詢結果中的一些關鍵資訊，但是這並不影響什麼。本片文章中我們將結合之前講過的執行緒狀態切換，對jstack命令的結果進行講解。

1.2.1、方法棧資訊及持有鎖資訊

方法棧實際上是執行緒棧原子物件“棧幀”中的資訊概要（“棧幀”內容將在後文中進行介紹），如下內容片段圖例中，是一部分連續的方法棧資訊：

在這裡插入圖片描述

  • 1、這是一個名叫http-nio-5700-Acceptor-0的執行緒（這個執行緒是筆者從Spring boot執行例項上擷取的，用於使用NIO模型接收5700埠上的Http請求），當前這個執行緒處於RUNNABLE可執行狀態（為什麼是可執行，而不是執行狀態呢？這個問題將在後文中解答）。

  • 2、上文已經提到執行緒棧dump資訊中，有個重要資訊就是方法棧資訊，方法棧實際上是“棧幀”資訊的概要，它以“at”關鍵字開頭。例如上圖示例中，該執行緒的方法呼叫過程在Thread類中的第748行開始呼叫另一個方法（看過原始碼的朋友可以知道，第748行程式碼就是執行Thread中target物件——一個實現了Runnable介面例項的run()方法）。緊接著在NioEndpoint$Acceptor類中的第453行（既是在NioEndpoint$Acceptor.run方法中），呼叫下一個方法。

  • 3、請注意在方法棧中的第三個方法呼叫過程中，該執行緒持有了一個物件的操作權（俗稱“鎖”），這個物件是一個“java.lang.Object”類的例項。那麼除非這個物件通過某種方式釋放掉這個物件的操作權，否則一旦其它執行緒（記為B）需要操作這個物件，並試圖獲得這個物件的“鎖”時，這個執行緒B就會進入“阻塞”狀態。接著我們再看一個阻塞狀態的執行緒棧例項，如下圖所示：

在這裡插入圖片描述

這是一個名為"http-nio-5700-exec-1"的執行緒，實際上這是“http-nio-5700-Acceptor-0”執行緒拿到準備好後的http處理請求後，緊接著實際進行http請求處理的所謂“執行執行緒”。這個執行緒方法棧底部的方法區就不逐一進行介紹了，熟悉java原生執行緒池的朋友都可以看到，這明顯是將處理任務送入了一個java執行緒池中然後進出處理（另外還可以看到這個執行緒池所使用的任務佇列是LinkedBlockingQueue）。

緊接著我們注意到，當前執行緒處於阻塞狀態。阻塞點在哪裡呢？請注意方法棧棧頂的兩個方法：當前執行緒在執行LockSupport類的第175行時（在LockSupport.park方法中），呼叫了一個JNI方法“Unsafe.park”，在這個後者內部當前執行緒等待記憶體地址起始點為“0x00000007853d5748”的物件的操作許可權——這個物件是AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject類的一個物件。於是執行緒進入阻塞狀態。

最後我們再看一個更簡單的，讓執行緒進入“阻塞”狀態的例項：

在這裡插入圖片描述

很顯然，以上執行緒進入了阻塞狀態——而且是一個有時間約束的阻塞。原因是當前執行緒在執行“AbstractProtocol$AsyncTimeout”類中的第1200行時（在AbstractProtocol$AsyncTimeout.run方法體內），呼叫了“Thread.sleep”方法。

1.2.2、執行緒狀態資訊

是的，通過以上小節的講解我們知道了，執行緒狀態是執行緒dump資訊中非常重要的資訊項。並且彷彿根據進入阻塞的原因（呼叫方式）不一樣，同樣的“阻塞”狀態都還有一些細小的差別。為了能夠看懂jstack命令給出的執行緒棧dump資訊中執行緒的狀態描述，我們需要首先介紹一下執行緒的狀態分類表述。

  • RUNNABLE, 在虛擬機器內執行的。執行中狀態。注意，處於這樣的執行緒可能在其方法棧中還能看到locked關鍵字，這表明它獲得了某個物件的操作許可權，並繼續進行著後續的處理過程。

  • BLOCKED, 試圖獲得指定物件的操作許可權，並進入synchronized同步塊，但是由於某種原因當前執行緒還沒有獲得指定的操作操作許可權，還在synchronized同步塊外處於阻塞狀態。

  • WATING, 一種無限期阻塞狀態，等待另一個執行緒執行特定操作。等待某個condition或monitor發生，一般停留在park(), wait(), sleep(),join() 等語句裡。根據進入的方式不一樣，阻塞狀態下還有一些細微的差別，這個問題我們將在下一節進行詳細講解。這裡特別要注意BLOCKED和WATING/TIMED_WATING的區別，這個區別將在後文進行詳細講解

  • TIMED_WATING, 有時限的等待另一個執行緒的特定操作。例如，和WAITING的區別可能是wait() 等語句加上了時間限制 wait(timeout)，也可能是呼叫了sleep方法。

  • TERMINATED,執行緒已退出的。

實際上以上的幾個狀態在Java原始碼中都已經做了非常詳細的說明，如下所示：

在這裡插入圖片描述

  • 那麼按照常理來說，當執行緒處於執行狀態時，執行緒的標識應該是RUN、RUNING等單詞，但為什麼java官方的描述中，對於處理執行狀態的執行緒卻只有RUNNABLE這樣的標識呢？

這是因為執行緒和執行緒排程都是作業系統級別的概念，某一個執行緒是否由CPU進行執行，是無法由開發者、應用程式使用者決定的，甚至不是由JVM決定的（JVM只對執行緒優先順序、執行緒排程型別的選擇提供支援），而是由作業系統決定。而由於Java的跨平臺性，所以在JVM中有專門的執行緒排程程式（模組）來配合不同作業系統中執行緒的呼叫方式完成執行緒排程。作為JVM來說只能通過Native的方式將執行緒狀態變更為“可執行”（包括設定優先順序），然後由作業系統來決定具體執行哪一個執行緒。所以JVM中對於處理執行狀態的執行緒，其標識都是“RUNNABLE”。

2、執行緒狀態及切換方式

2.1、狀態切換

2.1.1、從New狀態進入Runnable狀態

當用new操作符建立一個執行緒時， 例如new Thread®。這時執行緒還沒有執行，那麼它就處於新建狀態。新建狀態不能通過jstack命令進行跟蹤，原因是當前執行緒還沒有由託管到作業系統，但是我們可以通過Java程式碼調出當前執行緒的狀態資訊，如下圖所示：

在這裡插入圖片描述

可以看到主執行緒還沒有執行thread1.start()方法，這時列印的執行緒狀態資訊就是：

當前threa1執行緒狀態為:NEW
當前threa2執行緒狀態為:NEW

2.1.2、從Runnable狀態進入BLOCKED狀態

上文已經提到當某一個執行緒需要得到指定的Object的操作權，並試圖進入synchronized同步塊，但發現不能獲得Object的操作權時，就會進入BLOCKED狀態。請看如下程式碼和除錯效果：

在這裡插入圖片描述

上圖中有建立了兩個使用者執行緒，名稱分別為“thread1”和“thread2”。因為其中thread2先於thread1拿到了TestStates.class這個物件的操作權（基礎知識：class也是物件），並進入synchronized同步塊（參見除錯資訊）；所以thread1進入BLOCKED狀態，我們使用jstack資訊觀察當前Java程序執行緒棧的狀態可發現如下圖所示的情況：

# jstack 197300
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.144-b01 mixed mode):

"DestroyJavaVM" #16 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000002fce000 nid=0x3b794 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
"thread2" #15 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001ee53000 nid=0x368d8 runnable [0x000000001febf000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
        at testThread.TestStates$MyThread.run(TestStates.java:23)
        - locked <0x000000076c5c4090> (a java.lang.Class for testThread.TestStates)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"thread1" #14 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001ee52000 nid=0x3b80c waiting for monitor entry [0x000000001fdbf000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at testThread.TestStates$MyThread.run(TestStates.java:23)
        - waiting to lock <0x000000076c5c4090> (a java.lang.Class for testThread.TestStates)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

.........後面的資訊省去

可以看到名叫thread1的執行緒正在等待獲取物件（0x000000076c5c4090）的操作許可權，後者是一個java.lang.Class類的例項。而目前持有當前物件（0x000000076c5c4090）操作許可權的執行緒是名為thread2的執行緒。

2.1.3、從Runnable狀態進入WAITING狀態（多種方式）

執行緒從可執行狀態切換到WAITING狀態的方式就很多了。例如：呼叫wait方法，釋放物件操作權、當前執行緒呼叫目前執行緒的join方法，等待後者執行完成、當前執行緒呼叫sleep方法、可重入鎖（包括讀寫分離鎖）呼叫lock方法，並觸發阻塞效果、呼叫LockSupport的park方法，自旋當前執行緒或指定的物件等等，下文我們將要對這些細節進行詳細描述。

2.1.3.1、呼叫wait方法，釋放物件操作權

首先介紹一組最簡單的方式，就是當前在synchronized同步塊中的執行緒呼叫wait()方法，讓出被鎖定物件的操作許可權。如下示例：

在這裡插入圖片描述

在以上程式碼中，雖然執行緒thread1先於thread2拿到TestStates.class物件的操作權，並唯一進入synchronized同步塊。但是在synchronized同步塊中，執行緒thread1呼叫了wait方法讓出了操作權。這時還未進圖synchronized同步塊的執行緒thread2就可以拿到操作權（因為在synchronized同步塊外只有thread2再等待獲得資源的操作權）。這時執行緒thread1就進入了WAITING狀態，而thread2由BLOCKED狀態變成了Runnable狀態。通過jstack命令，我們可以驗證到這樣的狀態切換：

# jstack 246124
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.144-b01 mixed mode):
"thread2" #15 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001ef74800 nid=0x3c554 runnable [0x000000001ffdf000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
        at testThread.TestStates$MyThread.run(TestStates.java:22)
        - locked <0x000000076c5c4090> (a java.lang.Class for testThread.TestStates)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"thread1" #14 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001ef73800 nid=0x3c5cc in Object.wait() [0x000000001fedf000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x000000076c5c4090> (a java.lang.Class for testThread.TestStates)
        at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
        at testThread.TestStates$MyThread.run(TestStates.java:24)
        - locked <0x000000076c5c4090> (a java.lang.Class for testThread.TestStates)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

通過jstack命令我們觀察到：執行緒thread1的執行緒棧中，從棧底開始的第二個棧幀拿到了物件（0x000000076c5c4090）的操作許可權，並執行到TestStates$MyThread類中的第24行（既是在run方法中）。接著在24行呼叫了Object類中的wait方法（Object類中的第502行），最後通過呼叫JNI中的wait方法，重新等待獲取物件（0x000000076c5c4090）的操作權。

而執行緒thread2拿到了物件（0x000000076c5c4090）的操作權，並正在執行TestStates$MyThread類中的第22行程式碼（同樣在TestStates$MyThread類的run方法中，既是那句System.out）。這裡需要特別注意，當正在執行的執行緒由於作業系統的原因執行非常“卡頓”，例如作業系統的磁碟I/O操作、作業系統的網路I/O操作，那麼我們通過jstack命令觀察時，還是會發現當前執行緒處於“RUNNABLE”狀態。

請注意這個WAITING狀態的備註說明“java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)”，這非常關鍵，這告訴我們該執行緒進入WAITING狀態的原因是物件監視器造成——具體來說是物件監視器發現當前執行緒thread1已經讓出了操作許可權。

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（接下文）

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