Thread的join方法原理

Y说

今天没什么要说的。我个人很喜欢拍天空的照片，放一张前段时间晚上拍的照片吧。

join方法释放锁吗？

前段时间，有一个读者私信我，问了这么一个问题：Thread实例的join方法内部是调用的wait方法，而wait方法是会释放锁的，为什么网上很多文章（包括我们之前写的开源书《深入浅出Java多线程》）会说join方法不释放锁？

释放thread对象锁

我们先用书中的一个例子说起：

public class Join {
    static class ThreadA implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println("我是子线程，我先睡一秒");
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("我是子线程，我睡完了一秒");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new ThreadA());
        thread.start();
        thread.join();
        System.out.println("如果不加join方法，我会先被打出来，加了就不一样了");
    }
}

在这个例子中，我们在main方法中调用了thread.join()，打印出来的效果就是：

我是子线程，我先睡一秒
我是子线程，我睡完了一秒
如果不加join方法，我会先被打出来，加了就不一样了

这个例子想要表达的意图很简单，就是通过thread实例的join方法，达到main线程等待thread线程执行完后再继续执行的效果。

那join方法底层是如何实现这个功能的呢？究竟会不会释放锁呢？我们点进去看看源码。

if (millis == 0) {
    while (isAlive()) {
        wait(0);
    }
} else {
    while (isAlive()) {
        long delay = millis - now;
        if (delay <= 0) {
            break;
        }
        wait(delay);
        now = System.currentTimeMillis() - base;
    }
}

可以看到，join的底层是调用的wait(long)方法。而wait方法是Object类型的实例方法，会释放当前Object的锁，且需要拿到当前Object的锁才行。

这么说可能有点绕。众所周知，Java的锁其实本质上是对象锁，因为我们前面调用的是thread.join()，所以这里的“锁”对象其实thread这个对象。那这里wait释放的是thread这个对象锁。

我们把上面的main方法简单改一下，用另一个线程是占住thread这个对象锁，就比较直观了：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread = new Thread(new ThreadA());
    thread.start();
    new Thread(() -> {
        // 把thread对象作为锁占住，这样下面的join里面的wait只有等锁释放了才能执行。
        synchronized (thread) {
            try {
                System.out.println("我占住了thread锁");
                Thread.sleep(10000);
                System.out.println("我thread锁释放了");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }).start();
    thread.join();
    System.out.println("如果不加join方法，我会先被打出来，加了就不一样了");
}

打印结果：

我是子线程，我先睡一秒
我占住了thread锁
我是子线程，我睡完了一秒
我thread锁释放了
如果不加join方法，我会先被打出来，加了就不一样了

这就印证了那句话：wait方法执行前，是需要获取当前对象的锁的。

所以回归到最开始的问题：join()方法会释放锁吗？严瑾的答案是它会释放thread实例的对象锁，但不会释放其它对象锁（包括main线程）。stackoverflow也对这个有讨论：Does Thread.join() release the lock? Or continue to hold it?。

简单来说，你说它释放了锁也对，因为它确实通过wait方法释放了thread对象锁，你说它没释放锁也对，因为从调用线程的角度来看，它并没有释放当前调用线程持有的对象锁。

当然，为了防止其它读者看到这也有这个疑惑，我直接把文中的这句话删掉了。

谁唤醒了？

源码看到这，我又有了一个新的疑问：join方法内部是一个while循环。wait释放了锁，那必然会有一个人来唤醒它，程序才能够继续往下走。那必然有一个地方调用了thread对象的notify方法。

我们在Thread类里面可以找到一个exit()方法，上面备注写着：This method is called by the system to give a Thread a chance to clean up before it actually exits.

这么简单的英文大家应该都能看懂吧？

里面有这么一段代码：

if (group != null) {
    group.threadTerminated(this);
    group = null;
}

void threadTerminated(Thread t) {
    synchronized (this) {
        remove(t);

        if (nthreads == 0) {
            notifyAll();
        }
        if (daemon && (nthreads == 0) &&
            (nUnstartedThreads == 0) && (ngroups == 0))
        {
            destroy();
        }
    }
}

一开始我以为是在这里唤醒的，但仔细一看，这里调用的对象是ThreadGroup的实例，而不是thread实例。所以应该不是这个地方。

经过一通google之后，我又在stackoverflow上找到了正确的答案（stackoverflow, yyds）：who and when notify the thread.wait() when thread.join() is called?

答案显示，这是在JVM层面去做的事：

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

可以看到除了notify_all以外，它其实做了很多扫尾的工作。包括处理异常、设置线程状态等。

如果线程没启动

再把代码改一下，如果线程没有通过start启动会怎样呢？

Thread thread = new Thread(new ThreadA());
// thread.start();
thread.join();
System.out.println("如果不加join方法，我会先被打出来，加了就不一样了");

会直接执行最后一行代码打印出来。

看join源码就知道了，在wait之前，会有一个isAlive()的判断，看当前线程是否是alive的。如果没有start，那就会直接返回false，不进入wait。

总结

join方法会释放thread对象锁，底层是wait方法，在JVM层面通过notify_all来唤醒的。

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