【Java】Thread类中的join()方法原理

简介

join()是Thread类的一个方法。根据jdk文档的定义：

public final void join()throws InterruptedException: Waits for this thread to die.

join()方法的作用，是等待这个线程结束；但显然，这样的定义并不清晰。个人认为”Java 7 Concurrency Cookbook”的定义较为清晰：

join() method suspends the execution of the calling thread until the object called finishes its execution.

也就是说，t.join()方法阻塞调用此方法的线程(calling thread)，直到线程t完成，此线程再继续；通常用于在main()主线程内，等待其它线程完成再结束main()主线程。我们来看看下面的例子。

例子

我们对比一下下面这两个例子，看看使用join()方法的作用是什么？

1. 不使用join()方法的情况：

public static void main(String[] args){
    System.out.println("MainThread run start.");

    //启动一个子线程
    Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("threadA run start.");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("threadA run finished.");
        }
    });
    threadA.start();

    System.out.println("MainThread join before");
    System.out.println("MainThread run finished.");
}

运行结果如下：

MainThread run start.
threadA run start.
MainThread join before
MainThread run finished.
threadA run finished.

因为上述子线程执行时间相对较长，所以是在主线程执行完毕之后才结束。

1. 使用了join()方法的情况：

public static void main(String[] args){
    System.out.println("MainThread run start.");

    //启动一个子线程
    Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("threadA run start.");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("threadA run finished.");
        }
    });
    threadA.start();

    System.out.println("MainThread join before");
    try {
        threadA.join();    //调用join()
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("MainThread run finished.");
}

运行结果如下：

MainThread run start.
threadA run start.
MainThread join before
threadA run finished.
MainThread run finished.

对子线程threadA使用了join()方法之后，我们发现主线程会等待子线程执行完成之后才往后执行。

join()的原理和作用

java层次的状态转换图

我们来深入源码了解一下join()：

//Thread类中
public final void join() throws InterruptedException {
    join(0);
}


public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();  //获取当前时间
    long now = 0;

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

    if (millis == 0) {    //这个分支是无限期等待直到b线程结束
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {    //这个分支是等待固定时间，如果b没结束，那么就不等待了。
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

我们重点关注一下这两句，无限期等待的情况：：

while (isAlive()) {
    wait(0);    //wait操作，那必然有synchronized与之对应
}

注意这个wait()方法是Object类中的方法，再来看sychronized的是谁：

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException { ... }

成员方法加了synchronized说明是synchronized(this)，this是谁啊？this就是threadA子线程对象本身。也就是说，主线程持有了threadA这个对象的锁。

大家都知道，有了wait()，必然有notify()，什么时候才会notify呢？在jvm源码里：

// 位于/hotspot/src/share/vm/runtime/thread.cpp中
void JavaThread::exit(bool destroy_vm, ExitType exit_type) {
    // ...

    // 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).
    // 有一个贼不起眼的一行代码，就是这行
    ensure_join(this);

    // ...
}


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);

    // 同志们看到了没，别的不用看，就看这一句
    // thread就是当前线程，是啥？就是刚才例子中说的threadA线程啊。
    lock.notify_all(thread);

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

当子线程threadA执行完毕的时候，jvm会自动唤醒阻塞在threadA对象上的线程，在我们的例子中也就是主线程。至此，threadA线程对象被notifyall了，那么主线程也就能继续跑下去了。

可以看出，join()方法实现是通过wait()（小提示：Object 提供的方法）。 当main线程调用threadA.join时候，main线程会获得线程对象threadA的锁（wait 意味着拿到该对象的锁),调用该对象的wait(等待时间)，直到该对象唤醒main线程 （也就是子线程threadA执行完毕退出的时候）

总结

首先join() 是一个synchronized方法， 里面调用了wait()，这个过程的目的是让持有这个同步锁的线程进入等待，那么谁持有了这个同步锁呢？答案是主线程，因为主线程调用了threadA.join()方法，相当于在threadA.join()代码这块写了一个同步代码块，谁去执行了这段代码呢，是主线程，所以主线程被wait()了。然后在子线程threadA执行完毕之后，JVM会调用lock.notify_all(thread);唤醒持有threadA这个对象锁的线程，也就是主线程，会继续执行。

参考资料

• Java中Thread类的join方法到底是如何实现等待的？
• 简谈Java的join()方法