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Thread.join()源码分析

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问题

  • 在join()方法中最终会调用到对象的wait()方法,而wait()方法通常是和notify()或者notifyAll()方法成对出现的。而在使用join()方法时,我们压根就没有写notify()或者notifyAll()方法,这是为什么呢?
  • 如果你知道答案,那么本文将对你没有任何帮助,你可以直接跳过本文。

前言

  • 在前面两篇文章中分析了CyclicBarrier和CountDownLatch的用法和使用原理,它们都是用来控制线程的执行顺序的,这两个类是JUC包下提供的两个工具类,是由并发大佬Doug Lea开发的。实际上在Java语言当中,也提供了相关的API用来控制线程的执行顺序,那就是Thread类中的join()方法,它是由Sun公司(现被Oracle收购)的开发人员开发的。

如何使用

  • join()方法的作用是:在当前线程A中调用另外一个线程B的join()方法后,会让当前线程A阻塞,直到线程B的逻辑执行完成,A线程才会解阻塞,然后继续执行自己的业务逻辑。可以通过如下Demo示例感受下其用法。
  • 在Demo示例中,”main线程“因为肚子饿了想吃饭,因此让”保姆(线程thread)“ 去做饭,只有饭做好了才能开始吃饭,因此”main线程“需要等待”保姆(线程thread)“ 完全执行完了(饭做好了)才能开始吃饭,因此在”main线程“中调用”保姆(线程thread)“的join()方法,让”保姆(线程thread)“ 把饭做完了再通知自己去吃饭。
public class JoinDemo {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("肚子饿了,想吃饭饭");

        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println("开始做饭饭");
            try {
                // 让线程休眠10秒钟,模拟做饭的过程
                Thread.sleep(10000l);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("饭饭做好了");
        });
        thread.start();

        try {
            // 等待饭做好
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 只有饭做好了,才能开始吃饭
        System.out.println("开始吃饭饭");

    }
}
复制代码

原理

  • join()方法的使用很简单,下面来看下它的实现原理。
  • join()方法的作用,其本质实际上就是线程之间的通信。CyclicBarrier和CountDownLatch这两个类的作用的本质也是线程之间的通信,在源码分析中,我们可以发现,这两个类的底层最终是通过AQS来实现的,而AQS中是通过LockSupport类的park()unpark()方法来实现线程通信的。而Thread类的join()则是通过Object类的waitnotify()、notifyAll()方法来实现的。
  • 当调用thread.join()时,为什么能让线程阻塞呢?它是如何实现的呢?答案就在join()方法的源码当中。join()方法有3个重载方法,其他两个方法支持超时等待,当超过指定时间后,如果子线程还没有执行完成,那么主线程就会直接醒来。当调用join()方法中,会直接调用join(0)方法,参数传0表示不限时长地等待。join(long millis)方法的源码如下。
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    // 当millis为0时,表示不限时长地等待
    if (millis == 0) {
        // 通过while()死循环,只要线程还活着,那么就等待
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        // 当millis不为0时,就需要进行超时时间的计算,然后让线程等待指定的时间
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}
复制代码
  • 从上面的源码中,可以发现,join(long millis)方法的签名中,加了synchronized关键字来保证线程安全,join(long millis)最终调用的是Object对象的wait()方法,让主线程等待。这里需要注意的是,synchronized关键字实现的隐式锁,锁的是this,即thread这个对象(因为synchronized修饰的join(long millis)方法是一个成员方法,因此锁的是实例对象),在Demo中,我们是在main线程中,调用了thread这个对象的join()方法,所以这里调用wait()方法时,调用的是thread这个对象的wait()方法,所以是main线程进入到等待状态中。(调用的是thread这个对象的wait()方法,这一点很重要,因为后面唤醒main线程时,需要用thread这个对象的notify()或者notifyAll()方法)。
  • 那么问题来了,既然调用了wait()方法,那么notify()或者notifyAll()方法是在哪儿被调用的?然而我们找遍了join()方法的源码以及我们自己写的Demo代码,都没有看到notify()或者notifyAll()方法的身影。我们都知道,wait()和notify()或者notifyAll()肯定是成对出现的,单独使用它们毫无意义,那么在join()方法的使用场景下,notify()或者notifyAll()方法是在哪儿被调用的呢?答案就是jvm
  • Java里面的Thread类在JVM上对应的文件是thread.cpp。thread.cpp文件的路径是jdk-jdk8-b120/hotspot/src/share/vm/runtime/thread.cpp(笔者本地下载的是openJDK8的源代码)。在thread.cpp文件中定义了很多和线程相关的方法,Thread.java类中的native方法就是在thread.cpp中实现的。
  • 根据join()方法的描述,它的作用是先让thread业务逻辑执行完成,然后才让main线程开始执行。所以我们可以猜测notify()或者notifyAll()方法应该是在线程执行完run()方法后,JVM对线程做一些收尾工作时调用的。在JVM中,当每个线程执行完成时,会调用到thread.cpp文件中JavaThread::exit(bool destroy_vm, ExitType exit_type)方法(该方法的代码在1730行附近)。exit()方法的源码很长,差不多200行,删除了无用的代码,只保留了和今天主题有关的内容。源码如下。
void JavaThread::exit(bool destroy_vm, ExitType exit_type) {
	assert(this == JavaThread::current(),  "thread consistency check");
	// ...省略了很多代码

	// Notify waiters on thread object. This has to be done after exit() is called
	// on the thread (if the thread is the last thread in a daemon ThreadGroup the
	// group should have the destroyed bit set before waiters are notified).
    
    // 关键代码就在这一行,从方法名就可以推断出,它是线程在退出时,用来确保join()方法的相关逻辑的。而这里的this就是指的当前线程。
    // 从上面的英文注释也能看出,它是用来处理join()相关的逻辑的
	ensure_join(this);

	// ...省略了很多代码

}
复制代码
  • 可以看到,主要逻辑在ensure_join()方法中,接着找到ensure_join()方法的源码,源码如下。(ensure_join()方法的源码也在thread.cpp文件当中。有兴趣的朋友可以使用JetBrains公司提供的Clion这款智能工具来查看JVM的源代码,和IDEA产不多,按住option(或者Alt键)+鼠标左键,也能跟踪到源代码中)。
static void ensure_join(JavaThread* thread) {
  // We do not need to grap the Threads_lock, since we are operating on ourself.
  Handle threadObj(thread, thread->threadObj());
  assert(threadObj.not_null(), "java thread object must exist");
  ObjectLocker lock(threadObj, thread);
  // Ignore pending exception (ThreadDeath), since we are exiting anyway
  thread->clear_pending_exception();
  // Thread is exiting. So set thread_status field in  java.lang.Thread class to TERMINATED.
  java_lang_Thread::set_thread_status(threadObj(), java_lang_Thread::TERMINATED);
  // Clear the native thread instance - this makes isAlive return false and allows the join()
  // to complete once we've done the notify_all below
  java_lang_Thread::set_thread(threadObj(), NULL);


  // 核心代码在下面这一行
  // 是不是很惊喜?果然见到了和notify相关的单词,不用怀疑,notify_all()方法肯定就是用来唤醒。这里的thread对象就是我们demo中的子线程thread这个实例对象
  lock.notify_all(thread);


  // Ignore pending exception (ThreadDeath), since we are exiting anyway
  thread->clear_pending_exception();
}
复制代码

总结

  • 本文主要介绍了join()方法的作用是用来控制线程的执行顺序的,并结合Demo演示了其用法,然后结合源代码分析了join()方法的实现原理。join(long millis)方法因为使用了synchronized关键字修饰,所以是一个同步方法,它锁的对象是this,也就是实例对象本身。在join(long millis)方法中调用了实例对象的wait()方法,而notifyAll()方法是在jvm中调用的。在实际开发过程中,join()使用的比较少,我们通常会使用JUC包下提供的工具类CountDownLatch或者CyclicBarrier,因为后两者的功能更加强大。
  • 在join(long millis)方法的源码中,隐藏了一个经典的编程范式。如下。
// 这种写法是等待/通知的经典范式。
while(条件判断){
	wait();
}
复制代码

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