Java跟Linux內(nèi)核距離有多遠

本文中我們將站在非內(nèi)核開發(fā)者的角度，給大家介紹應(yīng)用和系統(tǒng)工程師如何梳理 Linux 內(nèi)核代碼。希望大家讀完之后能有所收獲，也希望更多的開發(fā)者能夠關(guān)注到內(nèi)核開發(fā)領(lǐng)域，畢竟連祖師爺 Linus 都表示內(nèi)核維護者要后繼無人了呀！

Java 離內(nèi)核有多遠？

測試環(huán)境版本信息：

玩內(nèi)核的人怎么也懂 Java？這主要得益于我學(xué)校的 Java 課程和畢業(yè)那會在華為做 Android 手機的經(jīng)歷，幾個模塊從 APP/Framework/Service/HAL/Driver 掃過一遍，自然對 Java 有所了解。

每次提起 Java，我都會想到一段有趣的經(jīng)歷。剛畢業(yè)到部門報到第一個星期，部門領(lǐng)導(dǎo)（在華為算是 Manager）安排我們熟悉 Android。我花了幾天寫了個 Android 游戲，有些類似連連看那種。開周會的時候，領(lǐng)導(dǎo)看到我的演示后，一臉不悅，質(zhì)疑我的直接領(lǐng)導(dǎo)（在華為叫 PL，Project Leader）沒有給我們講明白部門的方向。

emm，我當(dāng)時確實沒明白所謂的熟悉 Android 是該干啥，后來 PL 說，是要熟悉 xxx 模塊，APP 只是其中一部分。話說如果當(dāng)時得到的是肯定，也許我現(xiàn)在就是一枚 Java 工程師了（哈哈手動狗頭）。

（推薦教程：Java教程）

從 launcher 說起

世界上最遠的距離，是咱倆坐隔壁，我在看底層協(xié)議，而你在研究 spring……如果想拉近咱倆的距離，先下載 openjdk 源碼（openjdk），然后下載 glibc（glibc），再下載內(nèi)核源碼（kernel）。

Java 程序到 JVM，這個大家肯定比我熟悉，就不班門弄斧了。

我們就從 JVM 的入口為例，分析 JVM 到內(nèi)核的流程，入口就是 main 函數(shù)了（java.base/share/native/launcher/main.c）：

JNIEXPORT int
main(int argc, char **argv)
{
    //中間省略一萬行參數(shù)處理代碼
    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 做了三件我們關(guān)心的事。

首先，調(diào)用 CreateExecutionEnvironment 查找設(shè)置環(huán)境變量，比如 JVM 的路徑（下面的變量 jvmpath），以我的平臺為例，就是 /usr/lib/jvm/java-14-openjdk-amd64/lib/server/libjvm.so，window 平臺可能就是 libjvm.dll。

其次，調(diào)用 LoadJavaVM 加載 JVM，就是 libjvm.so 文件，然后找到創(chuàng)建 JVM 的函數(shù)賦值給 InvocationFunctions 的對應(yīng)字段：

jboolean LoadJavaVM(const char *jvmpath, InvocationFunctions *ifn)
{
void *libjvm;
//省略出錯處理
    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 涉及動態(tài)鏈接，簡單理解就是 libjvm.so 包含 JNI_CreateJavaVM、JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs 和 JNI_GetCreatedJavaVMs 的定義，動態(tài)鏈接完成后，ifn->CreateJavaVM、ifn->GetDefaultJavaVMInitArgs 和 ifn->GetCreatedJavaVMs 就是這些函數(shù)的地址。

不妨確認下 libjvm.so 有這三個函數(shù)。

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 源碼里有這些實現(xiàn)的（hotspot/share/prims/下），有興趣的同學(xué)可以繼續(xù)鉆研。

最后，調(diào)用 JVMInit 初始化 JVM，load Java 程序。

JVMInit 調(diào)用 ContinueInNewThread，后者調(diào)用 CallJavaMainInNewThread。插一句，我是真的不喜歡按照函數(shù)調(diào)用的方式講述問題，a 調(diào)用 b，b 又調(diào)用 c，簡直是在浪費篇幅，但是有些地方跨度太大又怕引起誤會（尤其對初學(xué)者而言）。相信我，注水，是真沒有，我不需要經(jīng)驗+3 哈哈。

CallJavaMainInNewThread 的主要邏輯如下：

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 的線程就是通過 pthread 實現(xiàn)的。此處就可以進入內(nèi)核了，但是我們還是先繼續(xù)看看 JVM。ThreadJavaMain 直接調(diào)用了 JavaMain，所以這里的邏輯就是，如果創(chuàng)建線程成功，就由新線程執(zhí)行 JavaMain，否則就知道在當(dāng)前進程執(zhí)行JavaMain。

JavaMain 是我們關(guān)注的重點，核心邏輯如下：

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，調(diào)用 InitializeJVM 初始化 JVM。InitializeJVM 會調(diào)用 ifn->CreateJavaVM，也就是libjvm.so 中的 JNI_CreateJavaVM。

第 2 步，LoadMainClass，最終調(diào)用的是 JVM_FindClassFromBootLoader，也是通過動態(tài)鏈接找到函數(shù)（定義在 hotspot/share/prims/ 下），然后調(diào)用它。

第 3 和第 4 步，Java 的同學(xué)應(yīng)該知道，這就是調(diào)用 main 函數(shù)。

有點跑題了……我們繼續(xù)以 pthread_create 為例看看內(nèi)核吧。

其實，pthread_create 離內(nèi)核還有一小段距離，就是 glibc（nptl/pthread_create.c）。創(chuàng)建線程最終是通過 clone 系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)的，我們不關(guān)心 glibc 的細節(jié)（否則又跑偏了），就看看它跟直接 clone 的不同。

（推薦微課：Java微課）

以下關(guān)于線程的討論從書里摘抄過來。

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);

各個標志的說明如下表（這句話不是摘抄的。。。）。

與當(dāng)前進程共享 VM、共享文件系統(tǒng)信息、共享打開的文件……看到這些我們就懂了，所謂的線程是這么回事。

Linux實際上并沒有從本質(zhì)上將進程和線程分開，線程又被稱為輕量級進程（Low Weight Process, LWP），區(qū)別就在于線程與創(chuàng)建它的進程（線程）共享內(nèi)存、文件等資源。

完整的段落如下（雙引號擴起來的幾個段落），有興趣的同學(xué)可以詳細閱讀：

“ fork 傳遞至 _do_fork 的 clone_flags 參數(shù)是固定的，所以它只能用來創(chuàng)建進程，內(nèi)核提供了另一個系統(tǒng)調(diào)用 clone，clone 最終也調(diào)用 _do_fork 實現(xiàn)，與 fork 不同的是用戶可以根據(jù)需要確定 clone_flags，我們可以使用它創(chuàng)建線程，如下（不同平臺下 clone 的參數(shù)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 將線程當(dāng)作輕量級進程，但線程的特性并不是由 Linux 隨意決定的，應(yīng)該盡量與其他操作系統(tǒng)兼容，為此它遵循 POSIX 標準對線程的要求。所以，要創(chuàng)建線程，傳遞給 clone 系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)也應(yīng)該是基本固定的。

創(chuàng)建線程的參數(shù)比較復(fù)雜，慶幸的是 pthread（POSIX thread）為我們提供了函數(shù)，調(diào)用pthread_create 即可，函數(shù)原型（用戶空間）如下。

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

第一個參數(shù) thread 是一個輸出參數(shù)，線程創(chuàng)建成功后，線程的 id 存入其中，第二個參數(shù)用來定制新線程的屬性。新線程創(chuàng)建成功會執(zhí)行 start_routine 指向的函數(shù)，傳遞至該函數(shù)的參數(shù)就是arg。

pthread_create 究竟如何調(diào)用 clone 的呢，大致如下：

//來源: 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 置位的標志較多，前幾個標志表示線程與當(dāng)前進程（有可能也是線程）共享資源，CLONE_THREAD 意味著新線程和當(dāng)前進程并不是父子關(guān)系。

clone 系統(tǒng)調(diào)用最終也通過 _do_fork 實現(xiàn)，所以它與創(chuàng)建進程的 fork 的區(qū)別僅限于因參數(shù)不同而導(dǎo)致的差異，有以下兩個疑問需要解釋。

首先，vfork 置位了 CLONE_VM 標志，導(dǎo)致新進程對局部變量的修改會影響當(dāng)前進程。那么同樣置位了 CLONE_VM 的 clone，也存在這個隱患嗎？答案是沒有，因為新線程指定了自己的用戶棧，由 stackaddr 指定。copy_thread 函數(shù)的 sp參數(shù)就是 stackaddr，childregs->sp = sp 修改了新線程的 pt_regs，所以新線程在用戶空間執(zhí)行的時候，使用的棧與當(dāng)前進程的不同，不會造成干擾。那為什么 vfork 不這么做，請參考 vfork 的設(shè)計意圖。

其次，fork 返回了兩次，clone 也是一樣，但它們都是返回到系統(tǒng)調(diào)用后開始執(zhí)行，pthread_create 如何讓新線程執(zhí)行 start_routine 的？start_routine 是由 start_thread 函數(shù)間接執(zhí)行的，所以我們只需要清楚 start_thread 是如何被調(diào)用的。start_thread 并沒有傳遞給 clone 系統(tǒng)調(diào)用，所以它的調(diào)用與內(nèi)核無關(guān)，答案就在 __clone 函數(shù)中。

（推薦教程：Linux教程）

為了徹底明白新進程是如何使用它的用戶棧和 start_thread 的調(diào)用過程，有必要分析 __clone 函數(shù)了，即使它是平臺相關(guān)的，而且還是由匯編語言寫的。

/*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  /*對齊*/    //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) 為例，

FUNC(%esp) 對應(yīng) &start_thread，

STACK(%esp) 對應(yīng) stackaddr，

ARG(%esp) 對應(yīng) pd（新進程傳遞給 start_thread 的參數(shù)）。

• 第 1 步，將新進程的棧 stackaddr 賦值給 ecx，確保它的值不為 0。
• 第 2 步，將 pd、&start_thread 和 0 存入新線程的棧，對當(dāng)前進程的棧無影響。
• 第 3 步，將當(dāng)前進程的三個寄存器的值入棧，esp寄存器的值相應(yīng)減12。
• 第 4 步，準備系統(tǒng)調(diào)用，其中將 FLAGS+12(%esp) 存入 ebx，對應(yīng) clone_flags，將clone 的系統(tǒng)調(diào)用號存入 eax。
• 第 5 步，將 clone_flags 存入新進程的棧中。
• 第 6 步，使用 int 指令發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，交給內(nèi)核創(chuàng)建新線程。截止到此處，所有的代碼都是當(dāng)前進程執(zhí)行的，新線程并沒有執(zhí)行。
• 從第 7 步開始的代碼，當(dāng)前進程和新線程都會執(zhí)行。對當(dāng)前進程而言，程序?qū)⑺?3 步入棧的寄存器出棧。但對新線程而言，它是從內(nèi)核的 ret_from_fork 執(zhí)行的，切換到用戶態(tài)后，它的棧已經(jīng)成為 stackaddr 了，所以它的 edi 等于 clone_flags，esi 等于 0，ebx 等于&start_thread。
• 系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果由 eax 返回，第 8 步判斷 clone 系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果，對當(dāng)前進程而言，clone 系統(tǒng)調(diào)用如果成功返回的是新線程在它的 pid namespace 中的 id，大于 0，所以它執(zhí)行 ret 退出__clone 函數(shù)。對新線程而言，clone 系統(tǒng)調(diào)用的返回值等于 0，所以它執(zhí)行L(thread_start) 處的代碼。clone_flags 的 CLONE_VM 標志被置位的情況下，會執(zhí)行 call *%ebx，ebx 等于&start_thread，至此 start_thread 得到了執(zhí)行，它又調(diào)用了提供給pthread_create 的 start_routine，結(jié)束。”

如此看來，Java → JVM → glibc → 內(nèi)核，好像也沒有多遠。

（推薦微課：Linux微課）

以上就是關(guān)于Java跟Linux內(nèi)核距離有多遠的相關(guān)介紹了，希望對大家有所幫助。