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。

面试被问到原题了,百度和腾讯二面问的两道多线程面试题解析

第一道面试题：线程唤醒问题

样例代码：

输出结果:

分析：

总结：

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：

问题：

分析：

总结：