第四章 Java线程的状态及主要转化方法

4.1 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

  1. 反复调用同一个线程的start()方法是否可行?
  2. 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readyrunning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()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()方法不会释放锁,会一直等待当前线程执行完毕(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.interrupted():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。


参考资料

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