Java多线程——join()

Posted 2020-09-21 平凡希

一、join()介绍

join() 定义在Thread.java中。
join() 的作用：让“主线程”等待“子线程”结束之后才能继续运行。这句话可能有点晦涩，我们还是通过例子去理解：

// 主线程
public class Father extends Thread {
    public void run() {
        Son s = new Son();
        s.start();
        s.join();
        ...
    }
}
// 子线程
public class Son extends Thread {
    public void run() {
        ...
    }
}

说明：
     上面的有两个类Father(主线程类)和Son(子线程类)。因为Son是在Father中创建并启动的，所以，Father是主线程类，Son是子线程类。
     在Father主线程中，通过new Son()新建“子线程s”。接着通过s.start()启动“子线程s”，并且调用s.join()。在调用s.join()之后，Father主线程会一直等待，直到“子线程s”运行完毕；在“子线程s”运行完毕之后，Father主线程才能接着运行。 这也就是我们所说的“join()的作用，是让主线程会等待子线程结束之后才能继续运行”！

二、join()源码分析

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

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

说明：
从代码中，我们可以发现。当millis==0时，会进入while(isAlive())循环；即只要子线程是活的，主线程就不停的等待。
我们根据上面解释join()作用时的代码来理解join()的用法！
问题：
     虽然s.join()被调用的地方是发生在“Father主线程”中，但是s.join()是通过“子线程s”去调用的join()。那么，join()方法中的isAlive()应该是判断“子线程s”是不是Alive状态；对应的wait(0)也应该是“让子线程s”等待才对。但如果是这样的话，s.join()的作用怎么可能是“让主线程等待，直到子线程s完成为止”呢，应该是让"子线程等待才对(因为调用子线程对象s的wait方法嘛)"？
答案：
     wait()的作用是让“当前线程”等待，而这里的“当前线程”是指当前在CPU上运行的线程。所以，虽然是调用子线程的wait()方法，但是它是通过“主线程”去调用的；所以，休眠的是主线程，而不是“子线程”！

三、join()示例

在理解join()的作用之后，接下来通过示例查看join()的用法。

package com.demo;

public class JoinTest {
    
    public static void main(String[] args){
        try{
            ThreadA t1 = new ThreadA("t1"); // 新建“线程t1”

            t1.start();                     // 启动“线程t1”
            t1.join();                        // 将“线程t1”加入到“主线程main”中，并且“主线程main()会等待它的完成”
            System.out.printf("%s finish\\n", Thread.currentThread().getName()); 
        }catch(InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    static class ThreadA extends Thread{
        public ThreadA(String name){ 
            super(name); 
        }
        
        public void run(){ 
            System.out.printf("%s start\\n", this.getName()); 

            // 延时操作
            for(int i=0; i <1000000; i++)
               ;

            System.out.printf("%s finish\\n", this.getName()); 
        } 
    }
}

运行结果：

t1 start
t1 finish
main finish

结果说明：
运行流程如图 
(01) 在“主线程main”中通过 new ThreadA("t1") 新建“线程t1”。 接着，通过 t1.start() 启动“线程t1”，并执行t1.join()。
(02) 执行t1.join()之后，“主线程main”会进入“阻塞状态”等待t1运行结束。“子线程t1”结束之后，会唤醒“主线程main”，“主线程”重新获取cpu执行权，继续运行。

---

一、join()的作用

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，在某些情况下，主线程创建并启动了子线程，如果子线程中需要进行大量的耗时运算，主线程往往将早于子线程结束之前结束，如果主线程想等待子线程执行完毕后，获得子线程中的处理完的某个数据，就要用到join()方法了，即等待其它线程完成再结束main()主线程。

例子1：

package com.demo.join;

public class Test {

    public static class MyThread extends Thread {  
        @Override  
        public void run() {  
              
            try {  
                System.out.println("我在子线程中睡眠1秒中");  
                Thread.sleep(1000);  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }  

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        MyThread myThread =new MyThread();  
        myThread.start();  
        myThread.join();  
        System.out.println("正常情况下肯定是我先执行完，但是加入join后，main主线程会等待子线程执行完毕后才执行");  
    }
}

输出结果：

我在子线程中睡眠1秒中
正常情况下肯定是我先执行完，但是加入join后，main主线程会等待子线程执行完毕后才执行

例子2：在主线程中开启一个子线程，用来计算1至100的和，然后在主线程中打印出来。

package com.demo.join;

public class JoinDemo {

    static int result = 0;
    
    public static void main(String[] args) {
        Thread subThread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 1; i <= 100; i++) {
                    result = result + i;
                    /*模拟耗时操作*/
                    try {
                        Thread.sleep(20);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        subThread.start();
        System.out.print("1到100求和结果等于：" + result);
    }
}

程序运行结果：

1到100求和结果等于：0

出错了。程序运行进入Main()函数后，开启子线程subThread计算求和。此时主线程并没有停止，继续往下运行。子线程subThread运行耗时大约2秒，而主线程如出膛子弹迅速往下执行完毕。子线程此该还没有反应过来，主线程已经输出了结果。为了输出正确的结果，显而易见，必须让主线程等待子线程运行完毕再执行System.out.print。这时，轮到Thread.Join()出场了。 在subThread.start()和System.out.print(result)之间加上：

try {
    subThread.join();
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

程序运行结果：

1到100求和结果等于：5050

结果正确！

join()方法中可以设置值，即等待多久。比如上面如果把subThread.join()改为subThread.join(1000)，就是告诉主线程等待子线程1秒钟后再继续运行。你可以这样修改后试着运行一下程序，这时程序输出的应该是0到5050间的一个值。

例子3：

package com.demo.join;

public class JoinTest {

    public static void main(String [] args) throws InterruptedException {
        ThreadJoinTest t1 = new ThreadJoinTest("小明");
        ThreadJoinTest t2 = new ThreadJoinTest("小东");
        t1.start();
        /**join的意思是使得放弃当前线程的执行，并返回对应的线程，例如下面代码的意思就是：
           程序在main线程中调用t1线程的join方法，则main线程放弃cpu控制权，并返回t1线程继续执行直到线程t1执行完毕
           所以结果是t1线程执行完后，才到主线程执行，相当于在main线程中同步t1线程，t1执行完了，main线程才有执行的机会
         */
        t1.join();
        t2.start();
    }
}

package com.demo.join;

public class ThreadJoinTest extends Thread{

    public ThreadJoinTest(String name){
        super(name);
    }
    
    @Override
    public void run(){
        for(int i=0;i<1000;i++){
            System.out.println(this.getName() + ":" + i);
        }
    }
}

上面程序结果是先打印完小明线程，在打印小东线程。

上面注释也大概说明了join方法的作用：在A线程中调用了B线程的join()方法时，表示只有当B线程执行完毕时，A线程才能继续执行，即join方法的主要作用就是同步，它可以使得线程之间的并行执行变为串行执行。注意，这里调用的join方法是没有传参的，join方法其实也可以传递一个参数给它的，具体看下面的简单例子：

package com.demo.join;

public class JoinTest {

    public static void main(String [] args) throws InterruptedException {
        ThreadJoinTest t1 = new ThreadJoinTest("小明");
        ThreadJoinTest t2 = new ThreadJoinTest("小东");
        t1.start();
        /**join方法可以传递参数，join(10)表示main线程会等待t1线程10毫秒，10毫秒过去后，
         * main线程和t1线程之间执行顺序由串行执行变为普通的并行执行
         */
        t1.join(10);
        t2.start();
    }
}

package com.demo.join;

public class ThreadJoinTest extends Thread{

    public ThreadJoinTest(String name){
        super(name);
    }
    
    @Override
    public void run(){
        for(int i=0;i<1000;i++){
            System.out.println(this.getName() + ":" + i);
        }
    }
}

上面代码结果是：程序执行前面10毫秒内打印的都是小明线程，10毫秒后，小明和小东程序交替打印。

所以，join方法中如果传入参数，则表示这样的意思：如果A线程中调用B线程的join(10)，则表示A线程会等待B线程执行10毫秒，10毫秒过后，A、B线程并行执行。需要注意的是，jdk规定，join(0)的意思不是A线程等待B线程0秒，而是A线程等待B线程无限时间，直到B线程执行完毕，即join(0)等价于join()。

二、join 与 start 调用顺序问题

上面的讨论大概知道了join的作用了，那么，如果 join在start前调用，会出现什么后果呢？先看下面的测试结果

package com.demo.join;

public class JoinTest {

    public static void main(String [] args) throws InterruptedException {
        ThreadJoinTest t1 = new ThreadJoinTest("小明");
        ThreadJoinTest t2 = new ThreadJoinTest("小东");
        /*
         *join方法可以在start方法前调用时，并不能起到同步的作用
         */
        t1.join();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

package com.demo.join;

public class ThreadJoinTest extends Thread{

    public ThreadJoinTest(String name){
        super(name);
    }
    
    @Override
    public void run(){
        for(int i=0;i<1000;i++){
            System.out.println(this.getName() + ":" + i);
        }
    }
}

上面代码执行结果是：小明和小东线程交替打印。

所以得到以下结论：join方法必须在线程start方法调用之后调用才有意义。这个也很容易理解：如果一个线程都没有start，那它也就无法同步了。

三、主线程等待多个子线程的情况

    要想主线程main等待若干线程结束之后再执行，需要先调用各个子线程的start()方法，在所有线程的start()方法执行完之后，再执行所有子线程的join()方法。若依次执行每个线程的start()和join()方法，则各个线程之间是同步的。举例如下：

package com.demo.join;

public class Test1 {

    public static void main(String[] args) {  
        Thread t1 = new Thread(new Runnable(){
            @Override  
            public void run() {  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                System.out.println("1 over");  
            }  
        });  
          
        Thread t2 = new Thread(new Runnable(){
            @Override  
            public void run() {  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                System.out.println("2 over");             
            }  
        });  
          
        Thread t3 = new Thread(new Runnable(){
            @Override  
            public void run() {  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                System.out.println("3 over");  
            }
        });  
          
        try {  
            t1.start();
            t2.start(); 
            t3.start();
            
            t1.join();
            t2.join();
            t3.join();  
              
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
          
        System.out.println("都结束了");  
          
    }
}

运行结果：

2 over
1 over
3 over
都结束了

从结果中可以看到三个子线程能够并发执行。若想三个子线程会顺序同步的执行，需要改变join调用位置。

package com.demo.join;

public class Test1 {

    public static void main(String[] args) {  
        Thread t1 = new Thread(new Runnable(){
            @Override  
            public void run() {  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                System.out.println("1 over");  
            }  
        });  
          
        Thread t2 = new Thread(new Runnable(){
            @Override  
            public void run() {  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                System.out.println("2 over");             
            }  
        });  
          
        Thread t3 = new Thread(new Runnable(){
            @Override  
            public void run() {  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                System.out.println("3 over");  
            }
        });  
          
        try {  
            t1.start();
            t1.join();
            t2.start();
            t2.join();
            t3.start();
            t3.join();  
              
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
          
        System.out.println("都结束了");  
          
    }
}

运行结果：

1 over
2 over
3 over
都结束了

从结果中可以看出，在多个子线程的情况下，若依次执行每个线程的start()和join()方法，则各个线程之间是同步的。

例子2：在主线程中建立了100个子线程，每个子线程使静态变量n增加10，如果在这100个子线程都执行完后输出n，这个n值应该是1000。

（1）先来看不加join()的情况：

package com.demo.join;

public class JoinThread extends Thread{

    public static volatile int n = 0;

    public void run(){
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try{
                // 为了使运行结果更随机，延迟3毫秒
                sleep(3);
                n++;
            }
            catch (Exception e){
            } 
        }                           
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Thread threads[] = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 建立100个线程
            threads[i] = new JoinThread();
        } 
            
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 运行刚才建立的100个线程
            threads[i].start();
        }   
            
        System.out.println("n=" + JoinThread.n);
    }
}

运行结果：

n=71

这个运行结果可能在不同的运行环境下有一些差异，但一般n不会等于1000。从上面的结果可以肯定，这100个线程并未都执行完就将n输出了。

（2）先调用各个子线程的start()方法，再执行所有子线程的join()方法。

package com.demo.join;

public class JoinThread extends Thread{

    public static volatile int n = 0;

    public void run(){
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try{
                // 为了使运行结果更随机，延迟3毫秒
                sleep(3);
                n++;
                //System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-------"+n);
            }
            catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            } 
        }                           
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Thread threads[] = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 建立100个线程
            threads[i] = new JoinThread();
        } 
            
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 运行刚才建立的100个线程
            threads[i].start();
        }  
       
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 100个线程都执行完后继续
            threads[i].join();
        }  
            
        System.out.println("n=" + JoinThread.n);
    }
}

运行结果：

n=978

从结果可以看出，多个子线程可以并发执行，并且这100个线程都运行完才将n输出。但是由于volatile关键字只保证了操作的可见性，但是没办法保证对变量的操作的原子性，所以最后的结果仍是小于1000的一个数。

（3）依次执行每个子线程的start()和join()方法。

package com.demo.join;

public class JoinThread extends Thread{

    public static volatile int n = 0;

    public void run(){
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try{
                // 为了使运行结果更随机，延迟3毫秒
                sleep(3);
                n++;
                //System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-------"+n);
            }
            catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            } 
        }                           
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Thread threads[] = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 建立100个线程
            threads[i] = new JoinThread();
        } 
            
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            // 运行刚才建立的100个线程
            threads[i].start();
            threads[i].join();
        } 
            
        System.out.println("n=" + JoinThread.n);
    }
}

运行结果：

n=1000

从结果中看出子线程之间是同步进行的，并且每次运行结果都会得到相同的结果：n=1000。这充分说明了这100个线程肯定是都执行完了，因此，n一定会等于1000。

四、join方法实现原理

    有了上面的例子，我们大概知道join方法的作用了，那么，join方法实现的原理是什么呢？

    其实，join方法是通过调用线程的wait方法来达到同步的目的的。例如，A线程中调用了B线程的join方法，则相当于A线程调用了B线程的wait方法，在调用了B线程的wait方法后，A线程就会进入阻塞状态，具体看下面的源码：

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

从源码中可以看到：join方法的原理就是调用相应线程的wait方法进行等待操作的，例如A线程中调用了B线程的join方法，则相当于在A线程中调用了B线程的wait方法，当B线程执行完（或者到达等待时间），B线程会自动调用自身的notifyAll方法唤醒A线程，从而达到同步的目的。

注意：join还有join(millis)方法，可以加入等待时间，效果上类似sleep，但是还是有实际区别的。join底层是wait方法，所以它是会释放对象锁的，而sleep在同步的方法中是不释放对象锁的，只有同步方法执行完毕，其他线程才可以执行。