Java 线程的状态及转换

,低并发编程,战略上藐视技术，战术上重视技术,闪客：小宇你怎么了，我看你脸色很不好呀。,小宇：今天去面试了，面试官问我 Java 线程的状态及其转化。,闪客：哦哦，很常见的面试题呀，不是有一张状态流转图嘛。,小宇：我知道，可是我每次面试的时候，脑子里记过的流转图就变成这样了。,,
,闪客：哈哈哈。,小宇：你还笑，气死我了，你能不能给我讲讲这些乱七八糟的状态呀。,闪客：没问题，还是老规矩，你先把所有状态都忘掉，听我从头道来！,小宇：好滴。,首先你得明白，当我们说一个线程的状态时，说的是什么？,没错，就是一个变量的值而已。,哪个变量？,Thread 类中的一个变量，叫,private volatile int threadStatus = 0;,这个值是个整数，不方便理解，可以通过映射关系（VM.toThreadState），转换成一个枚举类。,所以，我们就盯着 threadStatus 这个值的变化就好了。,就是这么简单。,现在我们还没有任何 Thread 类的对象呢，也就不存在线程状态一说。,一切的起点，要从把一个 Thread 类的对象创建出来，开始说起。,Thread t = new Thread();,当然，你后面可以接很多参数。,Thread t = new Thread(r, "name1");,你也可以 new 一个继承了 Thread 类的子类。,Thread t = new MyThread();,你说线程池怎么不 new 就可以有线程了呢？人家内部也是 new 出来的。,总是，一切的开始，都要调用 Thread 类的构造方法。,而这个构造方法，最终都会调用 Thread 类的 init () 方法。,这个 init 方法，仅仅是给该 Thread 类的对象中的属性，附上值，除此之外啥也没干。,它没有给 theadStatus 再次赋值，所以它的值仍然是其默认值。,而这个值对应的状态，就是 STATE.NEW，非要翻译成中文，就叫初始态吧。,因此说了这么多，其实就分析出了，新建一个 Thread 类的对象，就是创建了一个新的线程，此时这个线程的状态，是 NEW（初始态）。,,之后的分析，将弱化 threadStatus 这个整数值了，就直接说改变了其线程状态，大家知道其实就只是改变了 threadStatus 的值而已。,你说，刚刚处于 NEW 状态的线程，对应操作系统里的什么状态呢？,一看你就没仔细看我上面的分析。,Thread t = new Thread();,只是做了些表面功夫，在 Java 语言层面将自己的一个对象中的属性附上值罢了，根本没碰到操作系统级别的东西呢。,所以这个 NEW 状态，不论往深了说还是往浅了说，还真就只是个无聊的枚举值而已。,下面，精彩的故事才刚刚开始。,躺在堆内存中无所事事的 Thread 对象，在调用了 start () 方法后，才显现生机。,t.start();,这个方法一调用，那可不得了，最终会调用到一个讨厌的 native 方法里。,看来改变状态就并不是一句 threadStatus = xxx 这么简单了，而是有本地方法对其进行了修改。,九曲十八弯跟进 jvm 源码之后，调用到了这个方法。,大名鼎鼎的 unix 创建线程的方法，pthread_create。,此时，在操作系统内核中，才有了一个真正的线程，被创建出来。,而 linux 操作系统，是没有所谓的刚创建但没启动的线程这种说法的，创建即刻开始运行。,虽然无法从源码发现线程状态的变化，但通过 debug 的方式，我们看到调用了 Thread.start () 方法后，线程的状态变成了 RUNNABLE，运行态。,那我们的状态图又丰富了起来。,
,,通过这部分，我们知道如下几点：,1. 在 Java 调用 start () 后，操作系统中才真正出现了一个线程，并且立刻运行。,2. Java 中的线程，和操作系统内核中的线程，是一对一的关系。,3. 调用 start 后，线程状态变为 RUNNABLE，这是由 native 方法里的某部分代码造成的。,CPU 一个核心，同一时刻，只能运行一个线程。,具体执行哪个线程，要看操作系统 的调度机制。,所以，上面的 RUNNABLE 状态，准确说是，得到了可以随时准备运行的机会的状态。,而处于这个状态中的线程，也分为了正在 CPU 中运行的线程，和一堆处于就绪中等待 CPU 分配时间片来运行的线程。,,处于就绪中的线程，会存储在一个就绪队列中，等待着被操作系统的调度机制选到，进入 CPU 中运行。,当然，要注意，这里的 RUNNING 和 READY 状态，是我们自己为了方便描述而造出来的。,无论是 Java 语言，还是操作系统，都不区分这两种状态，在 Java 中统统叫 RUNNABLE。,当一个线程执行完毕（或者调用已经不建议的 stop 方法），线程的状态就变为 TERMINATED。,,此时这个线程已经无法死灰复燃了，如果你此时再强行执行 start 方法，将会报出错误。,java.lang.IllegalThreadStateException,很简单，因为 start 方法的第一行就是这么直戳了当地写的。,诶，那如果此时强行把 threadStatus 改成 0，会怎么样呢？你可以试试哟。,上面把最常见，最简单的线程生命周期讲完了。,没有发生任何的障碍。,接下来，就稍稍复杂一点了，我们让线程碰到些障碍。,首先创建一个对象 lock。,一个线程，执行一个 sychronized 块，锁对象是 lock，且一直持有这把锁不放。,另一个线程，也同样执行一个锁对象为 lock 的 sychronized 块。,那么，在进入 synchronized 块时，因为无法拿到锁，会使线程状态变为 BLOCKED。,同样，对于 synchronized 方法，也是如此。,当该线程获取到了锁后，便可以进入 synchronized 块，此时线程状态变为 RUNNABLE。,因此我们得出如下转换关系。,,当然，这只是线程状态的改变，线程还发生了一些实质性的变化。,我们不考虑虚拟机对 synchronized 的极致优化。,当进入 synchronized 块或方法，获取不到锁时，线程会进入一个该锁对象的同步队列。,当持有锁的这个线程，释放了锁之后，会唤醒该锁对象同步队列中的所有线程，这些线程会继续尝试抢锁。如此往复。,比如，有一个锁对象 A，线程 1 此时持有这把锁。线程 2、3、4 分别尝试抢这把锁失败。,
,,线程 1 释放锁，线程 2、3、4 重新变为 RUNNABLE，继续抢锁，假如此时线程 3 抢到了锁。,,如此往复。,这部分是最复杂的，同时也是面试中考点最多的，将分成三部分讲解。听我说完后你会发现，这三部分有很多相同但地方，不再是孤立的知识点。,wait/notify,我们在刚刚的 synchronized 块中加点东西。,当这个 lock.wait () 方法一调用，会发生三件事。,1. 释放锁对象 lock（隐含着必须先获取到这个锁才行）,2. 线程状态变成 WAITING,3. 线程进入 lock 对象的等待队列,
,,什么时候这个线程被唤醒，从等待队列中移出，并从 WAITING 状态返回 RUNNABLE 状态呢？,必须由另一个线程，调用同一个对象的 notify / notifyAll 方法。,,只不过 notify 是只唤醒一个线程，而 notifyAll 是唤醒所有等待队列中的线程。,但需要注意，被唤醒后的线程，从等待队列移出，状态变为 RUNNABLE，但仍然需要抢锁，抢锁成功了，才可以从 wait 方法返回，继续执行。,如果失败了，就和上一部分的 BLOCKED 流程一样了。,
,,所以我们的整个流程图，现在变成了这个样子。,,
,主线程这样写。,当执行到 t.join () 的时候，主线程会变成 WAITING 状态，直到线程 t 执行完毕，主线程才会变回 RUNNABLE 状态，继续往下执行。,看起来，就像是主线程执行过程中，另一个线程插队加入（join），而且要等到其结束后主线程才继续。,因此我们的状态图，又多了两项。,,那 join 又是怎么神奇地实现这一切呢？也是像 wait 一样放到等待队列么？,打开 Thread.join () 的源码，你会发现它非常简单。,也就是说，他的本质仍然是执行了 wait () 方法，而锁对象就是 Thread t 对象本身。,那从 RUNNABLE 到 WAITING，就和执行了 wait () 方法完全一样了。,那从 WAITING 回到 RUNNABLE 是怎么实现的呢？,主线程调用了 wait ，需要另一个线程 notify 才行，难道需要这个子线程 t 在结束之前，调用一下 t.notifyAll () 么？,答案是否定的，那就只有一种可能，线程 t 结束后，由 jvm 自动调用 t.notifyAll ()，不用我们程序显示写出。,没错，就是这样。,怎么证明这一点呢？道听途说可不行，老子今天非要扒开 jvm 的外套。,果然，找到了如下代码。,我们看到，虚拟机在一个线程的方法执行完毕后，执行了个 ensure_join 方法，看名字就知道是专门为 join 而设计的。,而继续跟进会发现一段关键代码，lock.notify_all，这便是一个线程结束后，会自动调用自己的 notifyAll 方法的证明。,所以，其实 join 就是 wait，线程结束就是 notifyAll。现在，是不是更清晰了。,
,,有了上面 wait 和 notify 的机制，下面就好理解了。,一个线程调用如下方法。,LockSupport.park(),该线程状态会从 RUNNABLE 变成 WAITING、,另一个线程调用,LockSupport.unpark (Thread 刚刚的线程),刚刚的线程会从 WAITING 回到 RUNNABLE,但从线程状态流转来看，与 wait 和 notify 相同。,从实现机制上看，他们甚至更为简单。,1. park 和 unpark 无需事先获取锁，或者说跟锁压根无关。,2. 没有什么等待队列一说，unpark 会精准唤醒某一个确定的线程。,3. park 和 unpark 没有顺序要求，可以先调用 unpark,关于第三点，就涉及到 park 的原理了，这里我只简单说明。,线程有一个计数器，初始值为 0,如果这个值为 0，就将线程挂起，状态改为 WAITING。如果这个值为 1，则将这个值改为 0，其余的什么都不做。,调用 unpark 就是,将这个值改为 1,然后我用三个例子，你就基本明白了。,park 的使用非常简单，同时也是 JDK 中锁实现的底层。它的 JVM 及操作系统层面的原理很复杂，改天可以专门找一节来讲解。,现在我们的状态图，又可以更新了。,
,,这部分就再简单不过了，将上面导致线程变成 WAITING 状态的那些方法，都增加一个超时参数，就变成了将线程变成 TIMED_WAITING 状态的方法了，我们直接更新流程图。,,这些方法的唯一区别就是，从 TIMED_WAITING 返回 RUNNABLE，不但可以通过之前的方式，还可以通过到了超时时间，返回 RUNNABLE 状态。,就这样。,还有，大家看。,wait 需要先获取锁，再释放锁，然后等待被 notify。,join 就是 wait 的封装。,park 需要等待 unpark 来唤醒，或者提前被 unpark 发放了唤醒许可。,那有没有一个方法，仅仅让线程挂起，只能通过等待超时时间到了再被唤醒呢。,这个方法就是,Thread.sleep(long),我们把它补充在图里，这一部分就全了。,,再把它加到全局图中。,
,,Java 线程的状态，有六种,而经典的线程五态模型，有五种状态,不同实现者，可能有合并和拆分。,比如 Java 将五态模型中的就绪和执行，都统一成 RUNNABLE，将阻塞（即不可能得到 CPU 运行机会的状态）细分为了 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING，这里我们不去评价好坏。,也就是说，BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 这几个状态，线程都不可能得到 CPU 的运行权，你叫它挂起、阻塞、睡眠、等待，都可以，很多文章，你也会看到这几个词没那么较真地来回用。,再说两个你可能困惑的问题。,调用 jdk 的 Lock 接口中的 lock，如果获取不到锁，线程将挂起，此时线程的状态是什么呢？,有多少同学觉得应该和 synchronized 获取不到锁的效果一样，是变成 BLOCKED 状态？,不过如果你仔细看我上面的文章，有一句话提到了，jdk 中锁的实现，是基于 AQS 的，而 AQS 的底层，是用 park 和 unpark 来挂起和唤醒线程，所以应该是变为 WAITING 或 TIMED_WAITING 状态。,调用阻塞 IO 方法，线程变成什么状态？ ,比如 socket 编程时，调用如 accept ()，read () 这种阻塞方法时，线程处于什么状态呢？,答案是处于 RUNNABLE 状态，但实际上这个线程是得不到运行权的，因为在操作系统层面处于阻塞态，需要等到 IO 就绪，才能变为就绪态。,但是在 Java 层面，JVM 认为等待 IO 与等待 CPU 执行权，都是一样的，人家就是这么认为的，这里我仍然不讨论其好坏，你觉得这么认为不爽，可以自己设计一门语言，那你想怎么认为，别人也拿你没办法。,比如要我设计语言，我就认为可被 CPU 调度执行的线程，处于死亡态。这样我的这门语言一定会有个经典面试题，为什么闪客把可运行的线程定义为死亡态呢？,OK，今天的文章就到这里。,本篇文章写得有点投入，写到这发现把开头都小宇都给忘了。