第一道面试题：线程唤醒问题
样例代码：
public class Test {
/**
* 有三个线程 A,B,C
* A为什么总是在C前面抢到锁？？？
*/
private final static Object LOCK = new Object();
public void startThreadA() {
new Thread(() -> {
synchronized (LOCK) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": get lock");
//启动线程b
startThreadB();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": start wait");
try {
//线程a wait
LOCK.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": get lock after wait");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": release lock");
}
}, "thread-A").start();
}
private void startThreadB() {
new Thread(() -> {
synchronized (LOCK) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": get lock");
//启动线程c
startThreadC();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": start notify");
//线程b唤醒其他线程
LOCK.notify();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": release lock");
}
}, "thread-B").start();
}
private void startThreadC() {
new Thread(() -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": thread c start");
synchronized (LOCK) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": get lock");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": release lock");
}
}, "thread-C").start();
}
public static void main(String[] args) {
new Test().startThreadA();
}
}输出结果:
thread-A: get lock
thread-A: start wait
thread-B: get lock
thread-C: thread c start
thread-B: start notify
thread-B: release lock
thread-A: get lock after wait
thread-A: release lock
thread-C: get lock
thread-C: release lock问题：
为什么每次运行，线程A总是优先于线程C获取锁？
分析：
在Hotspot源码中，我们知道synchronized关键字是通过monitor_enter和monitor_exit字节来实现的，最终用于阻塞线程的对象为ObjectMonitor对象，该对象包含三个关键字段：WaitSet、cxq、EntryList。
WaitSet用于保存使用wait方法释放获得的synchronized锁对象的线程，也即我们调用wait函数，那么当前线程将会释放锁，并将自身放入等待集中。
而cxq队列用于存放竞争ObjectMonitor锁对象失败的线程，而_EntryList用于也用于存放竞争锁失败的线程。
那么它们之间有何区别呢？这是由于我们需要频繁地释放和获取锁，当我们获取锁失败那么将需要把线程放入竞争列表中，当唤醒时需要从竞争列表中获取线程唤醒获取锁。
而如果我们只用一个列表来完成这件事，那么将会导致锁争用导致CPU资源浪费且影响性能，这时我们独立出两个列表，其中cxq列表用于竞争放入线程，而entrylist用于单线程唤醒操作。具体策略是这样的：
- 线程竞争锁失败后CAS放入cxq列表中
- 线程释放锁后将根据策略来唤醒cxq或者entrylist中的线程（我们这里只讨论默认策略）
- 默认策略下优先唤醒entrylist列表中的线程，因为唤醒线程对象的操作是单线程的，也即只有获取锁并且释放锁的线程可以操作，所以操作entrylist是线程安全的
- 如果entrylist列表为空，那么将会CAS将cxq中的等待线程一次性获取到entrylist中并开始逐个唤醒
在hotspot中我们称这种算法为电梯算法，也即将需要唤醒的线程一次性从竞争队列中放入entrylist唤醒队列。
那么这时我们就可以分析以上代码为何总是唤醒线程A了。
我们先看线程执行顺序，首先启动线程A，随后线程A启动线程B，B线程需要获取对象锁从而创建线程C。
我们看到当线程A调用wait方法将自己放入等待集中后，将会唤醒线程B，随后线程B创建并启动了线程C，然后等待C开始执行，由于此时对象锁由线程B持有，所以线程C需要放入cxq竞争队列。
随后B从睡眠中醒来，执行notify方法，该方法总是唤醒了线程A而不是C，也即优先处理等待集中的线程而不是cxq竞争队列的线程。
那么我们通过notify方法来看看实现原理。
Notify便是Wait操作的反向操作，所以这里很简单，无非就是将线程从等待集中移出并且唤醒，源码如下：
JVM_ENTRY(void， JVM_MonitorNotify(JNIEnv* env， jobject handle))
Handle obj(THREAD， JNIHandles：：resolve_non_null(handle));
// 直接调用ObjectSynchronizer：：notify
ObjectSynchronizer：：notify(obj， CHECK);
JVM_END这里直接跟进ObjectSynchronizer：：notify，源码如下：
void ObjectSynchronizer：：notify(Handle obj， TRAPS) {
if (UseBiasedLocking) {
// 如果使用偏向锁，那么取消偏向锁
BiasedLocking：：revoke_and_rebias(obj， false， THREAD);
}
markOop mark = obj->mark();
if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
// 如果是轻量级锁，那么直接返回，因为wait操作需要通过对象监视器来做
return;
}
ObjectSynchronizer：：inflate(THREAD， obj())->notify(THREAD);
}可以看到最终调用了ObjectSynchronizer的notify方法来唤醒，源码如下：
void ObjectMonitor：：notify(TRAPS) {
CHECK_OWNER();
if (_WaitSet == NULL) {
// 如果等待集为空，直接返回
return ;
}
int Policy = Knob_MoveNotifyee ; // 移动策略，这里默认是2
Thread：：SpinAcquire (&_WaitSetLock， "WaitSet - notify") ; // 首先对等待集上自旋锁
// 调用DequeueWaiter将一个等待线程从等待集中拿出来
ObjectWaiter * iterator = DequeueWaiter() ;
if (iterator != NULL) {
if (Policy != 4) { // 如果策略不等于4那么将线程的状态修改为TS_ENTER
iterator->TState = ObjectWaiter：：TS_ENTER ;
}
iterator->_notified = 1 ; // 唤醒计数器
Thread * Self = THREAD;
iterator->_notifier_tid = Self->osthread()->thread_id();
ObjectWaiter * List = _EntryList ;
if (Policy == 0) { // 如果策略为0，那么头插入到entrylist中
if (List == NULL) { // 如果entrylist为空，那么将当前监视器直接作为_EntryList 头结点
iterator->_next = iterator->_prev = NULL ;
_EntryList = iterator ;
} else { // 否则头插
List->_prev = iterator ;
iterator->_next = List ;
iterator->_prev = NULL ;
_EntryList = iterator ;
}
} else if (Policy == 1) { // 如果策略为1，那么插入entrylist的尾部
if (List == NULL) {
iterator->_next = iterator->_prev = NULL ;
_EntryList = iterator ;
} else {
ObjectWaiter * Tail ;
for (Tail = List ; Tail->_next != NULL ; Tail = Tail->_next) ;
Tail->_next = iterator ;
iterator->_prev = Tail ;
iterator->_next = NULL ;
}
} else if (Policy == 2) {
// 如果策略为2，那么如果entrylist为空，那么插入entrylist，否则插入cxq队列
if (List == NULL) {
iterator->_next = iterator->_prev = NULL ;
_EntryList = iterator ;
} else {
iterator->TState = ObjectWaiter：：TS_CXQ ;
for (;;) {
ObjectWaiter * Front = _cxq ;
iterator->_next = Front ;
if (Atomic：：cmpxchg_ptr (iterator， &_cxq， Front) == Front) {
break ;
}
}
}
} else
if (Policy == 3) { // 如果策略为3，那么直接插入cxq
iterator->TState = ObjectWaiter：：TS_CXQ ;
for (;;) {
ObjectWaiter * Tail ;
Tail = _cxq ;
if (Tail == NULL) {
iterator->_next = NULL ;
if (Atomic：：cmpxchg_ptr (iterator， &_cxq， NULL) == NULL) {
break ;
}
} else {
while (Tail->_next != NULL) Tail = Tail->_next ;
Tail->_next = iterator ;
iterator->_prev = Tail ;
iterator->_next = NULL ;
break ;
}
}
} else {
// 否则直接唤醒线程，让线程自己去调用enterI进入监视器
ParkEvent * ev = iterator->_event ;
iterator->TState = ObjectWaiter：：TS_RUN ;
OrderAccess：：fence() ;
ev->unpark() ;
}
}
Thread：：SpinRelease (&_WaitSetLock) ; // 释放等待集自旋锁
}这里有一个方法DequeueWaiter() 将线程从等待集中取出来，这里的notify读者都只唤醒一个，很多人都说随机唤醒一个，那么我们这里来看看唤醒算法是什么，源码如下：
inline ObjectWaiter* ObjectMonitor：：DequeueWaiter() {
ObjectWaiter* waiter = _WaitSet; // 很简单对吧，直接从头部拿
if (waiter) { // 如果waiter不为空，那么从等待集中断链
DequeueSpecificWaiter(waiter);
}
return waiter;
}
inline void ObjectMonitor：：DequeueSpecificWaiter(ObjectWaiter* node) {
ObjectWaiter* next = node->_next;
if (next == node) { // 如果只有一个节点，那么直接将等待集清空即可
_WaitSet = NULL;
} else { // 否则双向链表的断链基础操作
ObjectWaiter* prev = node->_prev;
next->_prev = prev;
prev->_next = next;
if (_WaitSet == node) {
_WaitSet = next;
}
}
// 断开连接后，也需要把断下来的节点，next和prev指针清空
node->_next = NULL;
node->_prev = NULL;
}那么读者应该可以明显地看到，底层对于唤醒操作是从等待集的头部选择线程唤醒。
总结：
通过源码我们看到，为何总是唤醒线程A，这是用于当线程C竞争不到锁时，被放入了cxq队列，而此时entrylist为null，线程A在等待集waitset中，当我们调用notify方法时，由于移动策略默认是2，这时会从等待集的头部将线程A取下，放入到entrylist中，当notify执行完毕后，在执行后面的monitor_exit字节码时将会优先从entrylist中唤醒线程，这就导致了A线程总是被优先执行。
接下来我们来看第二个问题：线程执行完isAlive方法返回true问题
样例代码：
public class ThreadAliveTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
System.out.println("t1 start");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1 end");
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (t1) {
System.out.println("t2 start");
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1 isAlive:" + t1.isAlive());
}
});
t2.start();
}
}
输出结果：
t1 start
t2 start
t1 end
t1 isAlive:true问题：
为什么线程结束了，isAlive方法还返回true
分析：
我们首先看看执行流程，线程T1启动后将会睡眠2秒，随后2秒后执行结束，随后线程T2启动，T2首先获取到T1的对象锁，然后睡眠5秒，随后调用T1的isAlive方法判定线程是否存活，那么为什么会输出true呢？
我们还得先看看isAlive方法如何实现的。我们来看源码。
public final native boolean isAlive();
首先看到isAlive方法由JNI方法实现。我们来看Hotspot源码。
JVM_ENTRY(jboolean, JVM_IsThreadAlive(JNIEnv* env, jobject jthread))
JVMWrapper("JVM_IsThreadAlive");
oop thread_oop = JNIHandles::resolve_non_null(jthread);
return java_lang_Thread::is_alive(thread_oop);
JVM_END我们看到首先通过resolve_non_null方法将jthread转为oop对象thread_oop，随后调用java_lang_Thread的is_alive方法来判断是否存活，我们继续跟进。
bool java_lang_Thread::is_alive(oop java_thread) { JavaThread* thr = java_lang_Thread::thread(java_thread); return (thr != NULL);}JavaThread* java_lang_Thread::thread(oop java_thread) { return (JavaThread*)java_thread->address_field(_eetop_offset);}我们看到最后是通过获取java thread对象，也即java的Thread类中的eetop属性，如果该属性为null，那么表明线程已经销毁，也即返回false，如果eetop还在那么返回true，表明线程存活。
那么什么是eetop呢？我们还得从线程创建方法入手。
JVM_ENTRY(void， JVM_StartThread(JNIEnv* env， jobject jthread))
JVMWrapper("JVM_StartThread");
JavaThread *native_thread = NULL;
bool throw_illegal_thread_state = false; // 非法线程状态标识
{
// Threads_lock上锁，保证C++的线程对象和操作系统原生线程不会被清除。当前方法执行完，也就是栈帧释放时，会释放这里的锁，当然肯定会调用析构函数，而这个对象的析构函数中调用unlock方法释放锁
MutexLocker mu(Threads_lock);
if (java_lang_Thread：：thread(JNIHandles：：resolve_non_null(jthread)) != NULL) { // 如果线程不为空，则表明线程已经启动，则为非法状态
throw_illegal_thread_state = true;
} else {
// 本来这里可以检测一下stillborn标记来看看线程是否已经停止，但是由于历史原因，就让线程自己玩了，这里就不玩了
// 取得线程对象的stackSize的大小
jlong size = java_lang_Thread：：stackSize(JNIHandles：：resolve_non_null(jthread));
// 开始创建C++ Thread对象和原生线程对象，使用无符号的线程栈大小，所以这里不会出现负数
size_t sz = size > 0 ? (size_t) size ：0;
// 创建JavaThread，这里的thread_entry为传入的运行地址，也就是启动线程，需要一个入口执行点，这个函数地址便是入口执行点
native_thread = new JavaThread(&thread_entry， sz);
// 如果osthread不为空，则标记当前线程还没有被使用
if (native_thread->osthread() != NULL) {
native_thread->prepare(jthread);
}
}
}
// 如果throw_illegal_thread_state不为0，那么直接抛出异常
if (throw_illegal_thread_state) {
THROW(vmSymbols：：java_lang_IllegalThreadStateException());
}
// 原生线程必然不能为空，因为线程是由操作系统创建的，所以没有OS线程，空有个JavaThread类有啥用0.0
if (native_thread->osthread() == NULL) {
delete native_thread; // 直接用C++的delete释放内存
THROW_MSG(vmSymbols：：java_lang_OutOfMemoryError()，"unable to create new native thread");
}
Thread：：start(native_thread); // 一切准备妥当，开始启动线程
JVM_END我们看到首先创建了JavaThread对象，该对象内部创建了OSThread对象，我们这么理解：JavaThread代表了C++层面的Java线程，而OSThread代表了操作系统层面的线程对象。
随后调用了native_thread->prepare(jthread)方法为启动线程做准备。我们关注该方法。
void JavaThread::prepare(jobject jni_thread, ThreadPriority prio) {
// 包装当前Java线程对象
Handle thread_oop(Thread::current(),
JNIHandles::resolve_non_null(jni_thread));
// 将Java层面的线程Oop对象与JavaThread C++层面的对象关联
set_threadObj(thread_oop());
java_lang_Thread::set_thread(thread_oop(), this);
// 设置优先级
if (prio == NoPriority) {
prio = java_lang_Thread::priority(thread_oop());
}
Thread::set_priority(this, prio);
// 将JavaThread类放入到全局线程列表中
Threads::add(this);
}我们注意看
java_lang_Thread::set_thread方法。我们跟进它的源码。
void java_lang_Thread::set_thread(oop java_thread, JavaThread* thread) {
// 将JavaThread C++层面的线程对象设置为Java层面的Thread oop对象的eetop变量
java_thread->address_field_put(_eetop_offset, (address)thread);
}这下我们知道了eetop变量即是JavaThread对象的地址信息。
在了解完eetop如何被设置之后我们得继续看，eetop什么时候被取消。
当Java线程执行完Runnable接口的run方法最后一个字节码后，将会调用exit方法。
该方法完成线程对象的退出和清理操作，我们重点看ensure_join方法。
void JavaThread::exit(bool destroy_vm, ExitType exit_type) {
...
ensure_join(this);
...
}我们继续跟进ensure_join的源码实现。
static void ensure_join(JavaThread* thread) {
// 封装Java Thread线程oop对象
Handle threadObj(thread, thread->threadObj());
// 获取Java Thread线程oop对象锁
ObjectLocker lock(threadObj, thread);
// 清除未处理的异常信息
thread->clear_pending_exception();
// 将状态修改为TERMINATED
java_lang_Thread::set_thread_status(threadObj(), java_lang_Thread::TERMINATED);
// 将Java Thread线程oop对象与JavaThread C++对象解绑
java_lang_Thread::set_thread(threadObj(), NULL);
// 唤醒所有阻塞在线程对象的线程
lock.notify_all(thread);
// 如果以上代码期间发生异常，那么清理挂起的异常
thread->clear_pending_exception();
}我们看到最终由ensure_join方法中的
java_lang_Thread::set_thread(threadObj(), NULL)，将eetop变量设置为null。
当执行完这一步时，我们再通过isAlive方法判断线程是否存活时，将返回false，否则返回true。
而我们看到在操作该变量时需要获取线程对象锁。我们来看ObjectLocker的构造函数和析构函数的实现。
ObjectLocker::ObjectLocker(Handle obj, Thread* thread, bool doLock) {
_dolock = doLock;
_thread = thread;
if (_dolock) {
// 获取Java Thread线程oop对象锁
ObjectSynchronizer::fast_enter(_obj, &_lock, false, _thread);
}
}
ObjectLocker::~ObjectLocker() {
if (_dolock) {
// 释放Java Thread线程oop对象锁
ObjectSynchronizer::fast_exit(_obj(), &_lock, _thread);
}
}我们看到当我们创建ObjectLocker对象时，会在构造函数中获取到线程对象锁，而当ensure_join方法执行完毕后，将会调用ObjectLocker的析构函数，在该函数中释放线程对象锁。
总结：
这下我们就可以通过以上知识来分析为何isAlive方法在线程执行完毕后仍然返回true了。
这是用于isAlive方法通过判断Java线程对象的eetop变量来判定线程是否存活，而当我们线程执行完毕后将会调用exit方法，该方法将会调用ensure_join方法，在该方法中将eetop甚至为null。
但是由于赋值前需要获取到Java线程的对象锁，而该对象的对象锁已经由线程T2持有，这时当前线程将会阻塞，从而造成eetop变量没有被清除，从而导致isAlive方法在T1线程执行完毕后仍然返回true。
读者也可以看看java Thread的源码，join函数也是通过对Thread对象获取锁然后调用isAlive来判定线程是否结束的。
这就意味着如果我们用别的线程持有了Java Thread的对象锁，那么这时调用join方法的线程也是会被阻塞的。
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