一个Thread.join()面试题的思考

时间  2021-08-14
标签 java 面试 bash markdown 并发 app ide 函数 oop 学习 栏目 SQL 繁體版
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1. 背景

最近参加了一家公司的面试，不知道为啥如今公司面试都喜欢安排在下午2点，应该是他们刚刚午休结束吧，没办法只能牺牲本身的午休时间，好不容易通过一个多小时的地铁终于到了目标公司，人事的小姑娘直接把我领到会议室给了一个笔试卷子就撤了，那就开始作题目吧。java

2. 题目

第一题是关于线程并发的，直接就让我犯了迷糊：面试

// 写出这段程序的最后输出结果

public class ThreadJoinTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // TODO Auto-generated method stub
        // 定义两个锁对象。
        Object lock1 = new Object();
        Object lock2 = new Object();
        
        Thread thread1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                // 开始线程主体以前先获取锁对象 'lock1' 。
                synchronized(lock1) {
                    // 打印线程开始执行信息。
                    System.out.println("thread1 start");
                    try {
                        // 休眠一分钟，模拟耗时任务。
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // 获取锁对象 'lock2'，注意此时线程仍然持有锁 'lock1'，
                    // 也就是说线程是在持有锁'lock1'的前提下尝试获取锁对象'lock2'。
                    synchronized(lock2) {
                        System.out.println("thread1 end");
                    }
                    // 线程释放锁对象'lock2'。
                }
                // 线程释放锁对象'lock1'。
            }
        };
		
        Thread thread2 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                // 开始线程主体以前先获取锁对象'lock2'。
                synchronized(lock2) {
                    // 打印线程开始执行信息。
                    System.out.println("thread2 start");
                    try {
                        // 休眠一分钟，模拟耗时任务。
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    // 在线程持有锁对象'lock2'的状况下尝试获取锁对象'lock1'。
                    synchronized(lock1) {
                        System.out.println("thread2 end");
                    }
                    // 释放锁对象'lock1'。
                }
                // 释放锁对象'lock2'。
            }
        };
        
        // 启动线程
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        // 主线程休眠两分钟，模拟耗时任务。
        Thread.sleep(2000);
        // 打印主线程结束信息。
        System.out.println("main thread end");
    }
}
复制代码

我看到题目的第一印象觉得考察的线程并发和死锁问题，本身认为程序的执行过程以下：bash

  1. 首先线程thread1先启动执行并获取了锁对象lock1，这时会直接打印thread1 start,而后休眠了1分钟来模拟耗时任务；
  2. 而后线程thread2也已经启动并获取了锁对象lock2，这时会直接打印thread2 start,而后休眠了1分钟来模拟耗时任务；
  3. 当线程thread1休眠结束准备继续往下执行，须要获取锁对象lock2，因为这时线程thread2持有了锁lock2,因此线程thread1因为没法获取锁对象处于阻塞状态；
  4. 当线程thread2休眠结束准备继续往下执行，须要获取锁对象lock1，因为这是线程thread1持有了锁lock1,因此线程thread2因为没法获取锁对象处于阻塞状态；
  5. 在前面的过程当中，thread1持有lock1等待lock2，与此同时thread2持有lock2等待lock1，明显处于死锁状态，因此这两个线程谁也没法继续向下执行；
  6. 因为thread1和thread2处于死锁状态，都没法继续向下执行，那主线程就会得到执行的机会，进而打印main thread end。

综上，我最后给出的结果是:markdown

thread1 start
thread2 start
main thread end
复制代码

在和面试官当面交流的时候，特地谈到这个题目，面试官说这道题主要考察的是join的用法，显然我对这个没有正确的认识，最后给的答案天然也是错误的。并发

3. 思考

3.1 用法

既然花了一下午的时间去参加了面试，至少要有一点点的收获吧，否则岂不是在浪费生命，因此回来仍是稍微查了下Thread.join()的含义和用法，咱们直接来看下源码里对这个方法的描述。app

// Thread.java

/** * Waits for this thread to die. * * <p> An invocation of this method behaves in exactly the same * way as the invocation * * <blockquote> * {@linkplain #join(long) join}{@code (0)} * </blockquote> * * @throws InterruptedException * if any thread has interrupted the current thread. The * <i>interrupted status</i> of the current thread is * cleared when this exception is thrown. */
public final void join() throws InterruptedException {
    join(0);
}

复制代码

源码里对这个方法的描述只有简单的一句话“等待这个线程的消亡”，也就说一个线程在调用另外一个线程的join方法后就要等待这个线程消亡后才能继续往下执行，至关于把并发的线程在这个时间点变成串行执行序列了。ide

在理解了这点后，再回过头来看看上面的题目，在thread1和thread2的死锁等待方面的分析都是正确的，关键点在于主线程在这以后是否还能够继续往下执行。因为在主线程中调用了thread1.join()和thread2.join()，就代表主线程必须等待这两个线程执行完才能继续执行，但thread1和thread2已经处于死锁状态，是不可能消亡的，这也就致使主线程没法继续下去了，因此最后的输出结果应该是：函数

thread1 start
thread2 start
复制代码

我本身也在回来以后运行过这段代码，结果和分析的一致，也算弄明白了Thread.join()是咋回事了。oop

3.2 实现原理

在弄明白Thread.join()的用法和含义是否是就圆满结束了？固然不是，咱们尽量地了解其内部的实现原理。学习

简单来讲就是要知道两个问题：

  1. 如何让当前线程在调用Thread.join()以后中止执行，直到另外一个线程消亡的？
  2. 在另外一个线程消亡后，当前线程是如何继续开始执行的？

3.2.1 如何中止

一切来源于代码，咱们天然要到代码去寻找答案，仍是再来看下Thread.join()的声明和定义：

// Thread.java

/** * Waits for this thread to die. */
public final void join() throws InterruptedException {
    // 直接调用另外一个重载函数。
    join(0);
}
    
/** * Waits at most {@code millis} milliseconds for this thread to * die. A timeout of {@code 0} means to wait forever. * * <p> This implementation uses a loop of {@code this.wait} calls * conditioned on {@code this.isAlive}. As a thread terminates the * {@code this.notifyAll} method is invoked. It is recommended that * applications not use {@code wait}, {@code notify}, or * {@code notifyAll} on {@code Thread} instances. * */
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");
    }

    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            // 当线程还处于存活状态时，就一直等待。
            wait(0);
        }
    } else {
        while (isAlive()) {
            // 等待时间没有直接使用参数指定的 millis,缘由是为了保持退出循环的可能。
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            // 当线程还处于存活状态时，就等待一段时间。
            wait(delay);
            // 更新 now 时间信息，是为了等待时间结束后，再次进到这个循环时可以因为 delay <= 0 而直接退出循环。
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}
复制代码

这个函数的代码量并不大，逻辑也比较容易理解，就是在线程A中调用线程B的join()方法后，这个线程A就会处于对线程B的wait状态，根据传入的参数不一样能够处于一直等待也能够只等待一段时间。

3.2.2 如何恢复

既然线程A在调用线程B的join方法后就会处于wait状态，那线程A又是在什么时候恢复执行的呢？这里只介绍不带参数的join方法，即一直等待的状况。从join方法的介绍中可知，要等到线程B的消亡，线程A才能恢复，这是如何实现的呢？

// Thread.java

/** * This method is called by the system to give a Thread * a chance to clean up before it actually exits. */
private void exit() {
    if (group != null) {
        // 调用销毁回调
        group.threadTerminated(this);
        group = null;
    }
    /* Aggressively null out all reference fields: see bug 4006245 */
    target = null;
    /* Speed the release of some of these resources */
    threadLocals = null;
    inheritableThreadLocals = null;
    inheritedAccessControlContext = null;
    blocker = null;
    uncaughtExceptionHandler = null;
}
复制代码

在线程真正退出以前，系统会调用exit方法来进行一些回收操做，从代码能够看到除了group.threadTerminated()以外都是一些置空操做，极可能起到恢复做用的逻辑就藏在group.threadTerminated()里面，这里的group是ThreadGroup的实例，是线程在初始化的时候建立的，能够简单理解为这个线程属于这类线程组的。

直接来看ThreadGroup.threadTerminated()的代码：

/** * Notifies the group that the thread {@code t} has terminated. * * <p> Destroy the group if all of the following conditions are * true: this is a daemon thread group; there are no more alive * or unstarted threads in the group; there are no subgroups in * this thread group. * * @param t * the Thread that has terminated */
void threadTerminated(Thread t) {
    synchronized (this) {
        remove(t);

        if (nthreads == 0) {
            // 唤醒全部的等待线程。
            notifyAll();
        }
        if (daemon && (nthreads == 0) &&
            (nUnstartedThreads == 0) && (ngroups == 0))
        {
            destroy();
        }
    }
}
复制代码

很明显，在线程被销毁的时候会调用notifyAll()来唤醒全部等待线程，因此线程A才能在线程B消亡的时候恢复运行。

4. 拓展

其实Thread里面除了join()方法，还有一个yield()值得咱们关注，因为这个方法相对简单，在这里只是简单地提到并不会详细讲解，废话很少说，仍是直接来看源码：

/** * A hint to the scheduler that the current thread is willing to yield * its current use of a processor. The scheduler is free to ignore this * hint. * * <p> Yield is a heuristic attempt to improve relative progression * between threads that would otherwise over-utilise a CPU. Its use * should be combined with detailed profiling and benchmarking to * ensure that it actually has the desired effect. * * <p> It is rarely appropriate to use this method. It may be useful * for debugging or testing purposes, where it may help to reproduce * bugs due to race conditions. It may also be useful when designing * concurrency control constructs such as the ones in the * {@link java.util.concurrent.locks} package. */
public static native void yield();
复制代码

这个方法是个native方法，咱们没法直接看到它的内部实现，那就看下它的声明，里面提到两点重要信息：

  1. 做用：告诉线程调度器当前的线程打算放弃对处理器的使用，至于处理器是否会因为这个信息进而从新调用线程，要看具体的调度策略；
  2. 使用场景：通常是用来进行调试用的，由于这个方法没法保证当前的线程调用这个方法后，其余线程必定会获得处理器，也就没法用来控制线程之间的执行顺序。

直接给出一个简单的例子：

public class ThreadYieldTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        YieldThread thread1 = new YieldThread("thread_1");
        YieldThread thread2 = new YieldThread("thread_2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    private static class YieldThread extends Thread {
        private String name;
        public YieldThread(String name) {
            super(name);
            this.name = name;
        }
        
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 50; i ++) {
                System.out.println(name + " : " + i);
                if (i == 25) {
                    // 在线程执行到一半的时候，调用 yield 方法尝试放弃执行。
                    System.out.println(name + ": yield");
                    Thread.yield();
                }
            }
        }
    }
}
复制代码

有兴趣的同窗能够屡次运行这段程序看看结果，从结果也能够发现并非每次thread1或者thread2在执行yield后另外一个线程均可以获取处理器进而开始执行的，正是因为这个不肯定性，不建议你们在代码里用这个方法来控制线程之间的执行。

5. 总结

经过一个简单的面试题，可以学习到一点知识，对本身也是一种提高，感受本身平时对这些基础问题的思考太少了，在埋头解决bug之余，仍是要注意学习积累知识的。

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