并发多线程学习（五）Java线程的状态及主要转化方法

标签：状态调用 Java Thread start RUNNABLE 线程多线程

1 操作系统中的线程状态转换

首先我们来看看操作系统中的线程状态转换。

在现在的操作系统中，线程是被视为轻量级进程的，所以操作系统线程的状态其实和操作系统进程的状态是一致的。

系统进程/线程转换图

操作系统线程主要有以下三个状态：

就绪状态(ready)：线程正在等待使用CPU，经调度程序调用之后可进入running状态。
执行状态(running)：线程正在使用CPU。
等待状态(waiting): 线程经过等待事件的调用或者正在等待其他资源（如I/O）。

4.2 Java线程的6个状态

// Thread.State 源码
public enum State {
    NEW,
    RUNNABLE,
    BLOCKED,
    WAITING,
    TIMED_WAITING,
    TERMINATED;
}

4.2.1 NEW

处于NEW状态的线程此时尚未启动。这里的尚未启动指的是还没调用Thread实例的start()方法。

private void testStateNew() {
    Thread thread = new Thread(() -> {});
    System.out.println(thread.getState()); // 输出 NEW 
}

从上面可以看出，只是创建了线程而并没有调用start()方法，此时线程处于NEW状态。

关于start()的两个引申问题

反复调用同一个线程的start()方法是否可行？
假如一个线程执行完毕（此时处于TERMINATED状态），再次调用这个线程的start()方法是否可行？

要分析这两个问题，我们先来看看start()的源码：

public synchronized void start() {
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();

    group.add(this);

    boolean started = false;
    try {
        start0();
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {

        }
    }
}

我们可以看到，在start()内部，这里有一个threadStatus的变量。如果它不等于0，调用start()是会直接抛出异常的。

我们接着往下看，有一个native的start0()方法。这个方法里并没有对threadStatus的处理。到了这里我们仿佛就拿这个threadStatus没辙了，我们通过debug的方式再看一下:

@Test
public void testStartMethod() {
    Thread thread = new Thread(() -> {});
    thread.start(); // 第一次调用
    thread.start(); // 第二次调用
}

我是在start()方法内部的最开始打的断点，叙述下在我这里打断点看到的结果：

第一次调用时threadStatus的值是0。
第二次调用时threadStatus的值不为0。

查看当前线程状态的源码：

// Thread.getState方法源码：
public State getState() {
    // get current thread state
    return sun.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
}

// sun.misc.VM 源码：
public static State toThreadState(int var0) {
    if ((var0 & 4) != 0) {
        return State.RUNNABLE;
    } else if ((var0 & 1024) != 0) {
        return State.BLOCKED;
    } else if ((var0 & 16) != 0) {
        return State.WAITING;
    } else if ((var0 & 32) != 0) {
        return State.TIMED_WAITING;
    } else if ((var0 & 2) != 0) {
        return State.TERMINATED;
    } else {
        return (var0 & 1) == 0 ? State.NEW : State.RUNNABLE;
    }
}

所以，我们结合上面的源码可以得到引申的两个问题的结果：

两个问题的答案都是不可行，在调用一次start()之后，threadStatus的值会改变（threadStatus !=0），此时再次调用start()方法会抛出IllegalThreadStateException异常。

比如，threadStatus为2代表当前线程状态为TERMINATED。

4.2.2 RUNNABLE

表示当前线程正在运行中。处于RUNNABLE状态的线程在Java虚拟机中运行，也有可能在等待CPU分配资源。

Java中线程的RUNNABLE状态

看了操作系统线程的几个状态之后我们来看看Thread源码里对RUNNABLE状态的定义：

/**
 * Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable
 * state is executing in the Java virtual machine but it may
 * be waiting for other resources from the operating system
 * such as processor.
 */

Java线程的RUNNABLE状态其实是包括了传统操作系统线程的ready和running两个状态的。

4.2.3 BLOCKED

阻塞状态。处于BLOCKED状态的线程正等待锁的释放以进入同步区。

我们用BLOCKED状态举个生活中的例子：

假如今天你下班后准备去食堂吃饭。你来到食堂仅有的一个窗口，发现前面已经有个人在窗口前了，此时你必须得等前面的人从窗口离开才行。
假设你是线程t2，你前面的那个人是线程t1。此时t1占有了锁（食堂唯一的窗口），t2正在等待锁的释放，所以此时t2就处于BLOCKED状态。

4.2.4 WAITING

等待状态。处于等待状态的线程变成RUNNABLE状态需要其他线程唤醒。

调用如下3个方法会使线程进入等待状态：

Object.wait()：使当前线程处于等待状态直到另一个线程唤醒它；
Thread.join()：等待线程执行完毕，底层调用的是Object实例的wait方法；
LockSupport.park()：除非获得调用许可，否则禁用当前线程进行线程调度。

我们延续上面的例子继续解释一下WAITING状态：

你等了好几分钟现在终于轮到你了，突然你们有一个“不懂事”的经理突然来了。你看到他你就有一种不祥的预感，果然，他是来找你的。

他把你拉到一旁叫你待会儿再吃饭，说他下午要去作报告，赶紧来找你了解一下项目的情况。你心里虽然有一万个不愿意但是你还是从食堂窗口走开了。

此时，假设你还是线程t2，你的经理是线程t1。虽然你此时都占有锁（窗口）了，“不速之客”来了你还是得释放掉锁。此时你t2的状态就是WAITING。然后经理t1获得锁，进入RUNNABLE状态。

要是经理t1不主动唤醒你t2（notify、notifyAll..），可以说你t2只能一直等待了。

4.2.5 TIMED_WAITING

超时等待状态。线程等待一个具体的时间，时间到后会被自动唤醒。

调用如下方法会使线程进入超时等待状态：

Thread.sleep(long millis)：使当前线程睡眠指定时间；
Object.wait(long timeout)：线程休眠指定时间，等待期间可以通过notify()/notifyAll()唤醒；
Thread.join(long millis)：等待当前线程最多执行millis毫秒，如果millis为0，则会一直执行；
LockSupport.parkNanos(long nanos)：除非获得调用许可，否则禁用当前线程进行线程调度指定时间；
LockSupport.parkUntil(long deadline)：同上，也是禁止线程进行调度指定时间；

我们继续延续上面的例子来解释一下TIMED_WAITING状态：

到了第二天中午，又到了饭点，你还是到了窗口前。

突然间想起你的同事叫你等他一起，他说让你等他十分钟他改个bug。

好吧，你说那你就等等吧，你就离开了窗口。很快十分钟过去了，你见他还没来，你想都等了这么久了还不来，那你还是先去吃饭好了。

这时你还是线程t1，你改bug的同事是线程t2。t2让t1等待了指定时间，此时t1等待期间就属于TIMED_WATING状态。

t1等待10分钟后，就自动唤醒，拥有了去争夺锁的资格。

4.2.6 TERMINATED

终止状态。此时线程已执行完毕。

4.3 线程状态的转换

根据上面关于线程状态的介绍我们可以得到下面的线程状态转换图：

4.3.1 BLOCKED与RUNNABLE状态的转换

我们在上面说到：处于BLOCKED状态的线程是因为在等待锁的释放。假如这里有两个线程a和b，a线程提前获得了锁并且暂未释放锁，此时b就处于BLOCKED状态。我们先来看一个例子：

@Test
public void blockedTest() {

    Thread a = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            testMethod();
        }
    }, "a");
    Thread b = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            testMethod();
        }
    }, "b");

    a.start();
    b.start();
    System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出？
    System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState()); // 输出？
}

// 同步方法争夺锁
private synchronized void testMethod() {
    try {
        Thread.sleep(2000L);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

初看之下，大家可能会觉得线程a会先调用同步方法，同步方法内又调用了Thread.sleep()方法，必然会输出TIMED_WAITING，而线程b因为等待线程a释放锁所以必然会输出BLOCKED。

其实不然，有两点需要值得大家注意，一是在测试方法blockedTest()内还有一个main线程，二是启动线程后执行run方法还是需要消耗一定时间的。

测试方法的main线程只保证了a，b两个线程调用start()方法（转化为RUNNABLE状态），如果CPU执行效率高一点，还没等两个线程真正开始争夺锁，就已经打印此时两个线程的状态（RUNNABLE）了。

当然，如果CPU执行效率低一点，其中某个线程也是可能打印出BLOCKED状态的（此时两个线程已经开始争夺锁了）。

这时你可能又会问了，要是我想要打印出BLOCKED状态我该怎么处理呢？BLOCKED状态的产生需要两个线程争夺锁才行。那我们处理下测试方法里的main线程就可以了，让它“休息一会儿”，调用一下Thread.sleep()方法。

这里需要注意的是main线程休息的时间，要保证在线程争夺锁的时间内，不要等到前一个线程锁都释放了你再去争夺锁，此时还是得不到BLOCKED状态的。

我们把上面的测试方法blockedTest()改动一下：

public void blockedTest() throws InterruptedException {
    ······
    a.start();
    Thread.sleep(1000L); // 需要注意这里main线程休眠了1000毫秒，而testMethod()里休眠了2000毫秒
    b.start();
    System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出？
    System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState()); // 输出？
}

在这个例子中两个线程的状态转换如下

a的状态转换过程：RUNNABLE（a.start()） -> TIMED_WATING（Thread.sleep()）->RUNABLE（sleep()时间到）->BLOCKED(未抢到锁) -> TERMINATED
b的状态转换过程：RUNNABLE（b.start()) -> BLOCKED(未抢到锁) ->TERMINATED

斜体表示可能出现的状态，大家可以在自己的电脑上多试几次看看输出。同样，这里的输出也可能有多钟结果。

4.3.2 WAITING状态与RUNNABLE状态的转换

根据转换图我们知道有3个方法可以使线程从RUNNABLE状态转为WAITING状态。我们主要介绍下Object.wait()和Thread.join()。

Object.wait()

调用wait()方法前线程必须持有对象的锁。

线程调用wait()方法时，会释放当前的锁，直到有其他线程调用notify()/notifyAll()方法唤醒等待锁的线程。

需要注意的是，其他线程调用notify()方法只会唤醒单个等待锁的线程，如有有多个线程都在等待这个锁的话不一定会唤醒到之前调用wait()方法的线程。

同样，调用notifyAll()方法唤醒所有等待锁的线程之后，也不一定会马上把时间片分给刚才放弃锁的那个线程，具体要看系统的调度。

Thread.join()

调用join()方法，会一直等待这个线程执行完毕（转换为TERMINATED状态）。

我们再把上面的例子线程启动那里改变一下：

public void blockedTest() {
    ······
    a.start();
    a.join();
    b.start();
    System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出 TERMINATED
    System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState());
}

要是没有调用join方法，main线程不管a线程是否执行完毕都会继续往下走。

a线程启动之后马上调用了join方法，这里main线程就会等到a线程执行完毕，所以这里a线程打印的状态固定是TERMINATED。

至于b线程的状态，有可能打印RUNNABLE（尚未进入同步方法），也有可能打印TIMED_WAITING（进入了同步方法）。

4.3.3 TIMED_WAITING与RUNNABLE状态转换

TIMED_WAITING与WAITING状态类似，只是TIMED_WAITING状态等待的时间是指定的。

Thread.sleep(long)

使当前线程睡眠指定时间。需要注意这里的“睡眠”只是暂时使线程停止执行，并不会释放锁。时间到后，线程会重新进入RUNNABLE状态。

Object.wait(long)

wait(long)方法使线程进入TIMED_WAITING状态。这里的wait(long)方法与无参方法wait()相同的地方是，都可以通过其他线程调用notify()或notifyAll()方法来唤醒。

不同的地方是，有参方法wait(long)就算其他线程不来唤醒它，经过指定时间long之后它会自动唤醒，拥有去争夺锁的资格。

Thread.join(long)

join(long)使当前线程执行指定时间，并且使线程进入TIMED_WAITING状态。

我们再来改一改刚才的示例:
public void blockedTest() {
    ······
    a.start();
    a.join(1000L);
    b.start();
    System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出 TIEMD_WAITING
    System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState());
}
这里调用a.join(1000L)，因为是指定了具体a线程执行的时间的，并且执行时间是小于a线程sleep的时间，所以a线程状态输出TIMED_WAITING。

b线程状态仍然不固定（RUNNABLE或BLOCKED）。

4.3.4 线程中断

在某些情况下，我们在线程启动后发现并不需要它继续执行下去时，需要中断线程。目前在Java里还没有安全直接的方法来停止线程，但是Java提供了线程中断机制来处理需要中断线程的情况。

线程中断机制是一种协作机制。需要注意，通过中断操作并不能直接终止一个线程，而是通知需要被中断的线程自行处理。

简单介绍下Thread类里提供的关于线程中断的几个方法：

Thread.interrupt()：中断线程。这里的中断线程并不会立即停止线程，而是设置线程的中断状态为true（默认是flase）；
Thread.currentThread().isInterrupted()：测试当前线程是否被中断。线程的中断状态受这个方法的影响，意思是调用一次使线程中断状态设置为true，连续调用两次会使得这个线程的中断状态重新转为false；
Thread.isInterrupted()：测试当前线程是否被中断。与上面方法不同的是调用这个方法并不会影响线程的中断状态。

在线程中断机制里，当其他线程通知需要被中断的线程后，线程中断的状态被设置为true，但是具体被要求中断的线程要怎么处理，完全由被中断线程自己而定，可以在合适的实际处理中断请求，也可以完全不处理继续执行下去。

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