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Java线程的6种状态及切换(透彻讲解) |
Java线程的6种状态 |
本文详细解析了Java线程的6种状态 — 新建、运行、阻塞、等待、定时等待和终止，以及这些状态之间的切换过程。这些深入的洞见将帮助您更好地理解并管理Java多线程程序的行为。理解这些基础知识对于优化Java程序和避免并发问题至关重要。 |
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我们先来看看操作系统中的线程状态转换。在操作系统中，线程被视为轻量级的进程，所以线程状态其实和进程状态是一致的。
操作系统的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）。
然后我们来看 Java 线程的 6 个状态：
// Thread.State 源码
public enum State {
NEW,
RUNNABLE,
BLOCKED,
WAITING,
TIMED_WAITING,
TERMINATED;
}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。
- 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：
// 使用synchronized关键字保证这个方法是线程安全的
public synchronized void start() {
// threadStatus != 0 表示这个线程已经被启动过或已经结束了
// 如果试图再次启动这个线程，就会抛出IllegalThreadStateException异常
if (threadStatus != 0)
throw new IllegalThreadStateException();
// 将这个线程添加到当前线程的线程组中
group.add(this);
// 声明一个变量，用于记录线程是否启动成功
boolean started = false;
try {
// 使用native方法启动这个线程
start0();
// 如果没有抛出异常，那么started被设为true，表示线程启动成功
started = true;
} finally {
// 在finally语句块中，无论try语句块中的代码是否抛出异常，都会执行
try {
// 如果线程没有启动成功，就从线程组中移除这个线程
if (!started) {
group.threadStartFailed(this);
}
} catch (Throwable ignore) {
// 如果在移除线程的过程中发生了异常，我们选择忽略这个异常
}
}
}可以看到，在start()内部，有一个 threadStatus 变量。如果它不等于 0，调用start()会直接抛出异常。
接着往下看，有一个 native 的 start0() 方法。这个方法并没有对threadStatus进行处理。到这里我们仿佛拿这个 threadStatus 没辙了，通过 debug 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
}在 start 方法内部的最开始打断点：
- 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：
// 如果线程的状态值和4做位与操作结果不为0，线程处于RUNNABLE状态。
// 如果线程的状态值和1024做位与操作结果不为0，线程处于BLOCKED状态。
// 如果线程的状态值和16做位与操作结果不为0，线程处于WAITING状态。
// 如果线程的状态值和32做位与操作结果不为0，线程处于TIMED_WAITING状态。
// 如果线程的状态值和2做位与操作结果不为0，线程处于TERMINATED状态。
// 最后，如果线程的状态值和1做位与操作结果为0，线程处于NEW状态，否则线程处于RUNNABLE状态。
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;
}
}还记得我们引申的两个问题吗？
- 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？
结合上面的源码可以得到的答案是：
- 都不行，在调用 start 之后，threadStatus 的值会改变（
threadStatus !=0），再次调用 start 方法会抛出 IllegalThreadStateException 异常。 - threadStatus 为 2 代表当前线程状态为 TERMINATED（下面会讲）。
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。
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.
*/意思大家应该都能看得懂，不懂翻译一下（其实前面已经翻译过了）。
也就是说，Java 线程的RUNNABLE状态其实包括了操作系统线程的ready和running两个状态。
阻塞状态。处于 BLOCKED 状态的线程正等待锁（锁会在后面细讲）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。
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。
调用下面这 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 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。LockSupport 我们在后面会细讲。
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，终于轮到你了，突然你们有一个“不懂事”的经理来了。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。
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 我们在后面会细讲；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，那就等等吧，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。
终止状态。此时线程已执行完毕。
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：
我们在上面说过：处于 BLOCKED 状态的线程在等待锁的释放。假如这里有两个线程 a 和 b，a 线程提前获得了锁并暂未释放锁，此时 b 就处于 BLOCKED 状态。我们来看一个例子：
@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）。
下面是我执行了几次的结果对比：
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？
}运行结果如下所示：
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。
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()。
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。
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）。
TIMED_WAITING 与 WAITING 状态类似，只是 TIMED_WAITING 状态等待的时间是指定的。
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。
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。
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）。
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 里还没有安全方法来直接停止线程，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.isInterrupted()：测试当前线程是否被中断。Thread.interrupted()：检测当前线程是否被中断，与isInterrupted()方法不同的是，这个方法如果发现当前线程被中断，会清除线程的中断状态。
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决定，可以在合适的时机中断请求，也可以完全不处理继续执行下去。
本文详细解析了 Java 线程的 6 种状态 — 新建、运行、阻塞、等待、定时等待和终止，以及这些状态之间的切换过程。
编辑：沉默王二，原文内容来源于朋友小七萤火虫开源的这个仓库：深入浅出 Java 多线程，强烈推荐。
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