Java多线程(八)之join()分析

java哥 阅读:250 2020-02-17 15:42:28 评论:0

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。

 
标签:java多线程
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