4 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

1
// Thread.State 源码
2
public enum State {
3
NEW,
4
RUNNABLE,
5
BLOCKED,
6
WAITING,
7
TIMED_WAITING,
8
TERMINATED;
9
}
Copied!

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。
1
private void testStateNew() {
2
Thread thread = new Thread(() -> {});
3
System.out.println(thread.getState()); // 输出 NEW
4
}
Copied!
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. 1.
    反复调用同一个线程的start()方法是否可行?
  2. 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:
1
public synchronized void start() {
2
if (threadStatus != 0)
3
throw new IllegalThreadStateException();
4
5
group.add(this);
6
7
boolean started = false;
8
try {
9
start0();
10
started = true;
11
} finally {
12
try {
13
if (!started) {
14
group.threadStartFailed(this);
15
}
16
} catch (Throwable ignore) {
17
18
}
19
}
20
}
Copied!
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:
1
@Test
2
public void testStartMethod() {
3
Thread thread = new Thread(() -> {});
4
thread.start(); // 第一次调用
5
thread.start(); // 第二次调用
6
}
Copied!
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:
1
// Thread.getState方法源码:
2
public State getState() {
3
// get current thread state
4
return sun.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
5
}
6
7
// sun.misc.VM 源码:
8
public static State toThreadState(int var0) {
9
if ((var0 & 4) != 0) {
10
return State.RUNNABLE;
11
} else if ((var0 & 1024) != 0) {
12
return State.BLOCKED;
13
} else if ((var0 & 16) != 0) {
14
return State.WAITING;
15
} else if ((var0 & 32) != 0) {
16
return State.TIMED_WAITING;
17
} else if ((var0 & 2) != 0) {
18
return State.TERMINATED;
19
} else {
20
return (var0 & 1) == 0 ? State.NEW : State.RUNNABLE;
21
}
22
}
Copied!
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,也有可能在等待其他系统资源(比如I/O)。
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:
1
/**
2
* Thread state for a runnable thread. A thread in the runnable
3
* state is executing in the Java virtual machine but it may
4
* be waiting for other resources from the operating system
5
* such as processor.
6
*/
Copied!
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,t1先主动释放了锁。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:
1
@Test
2
public void blockedTest() {
3
4
Thread a = new Thread(new Runnable() {
5
@Override
6
public void run() {
7
testMethod();
8
}
9
}, "a");
10
Thread b = new Thread(new Runnable() {
11
@Override
12
public void run() {
13
testMethod();
14
}
15
}, "b");
16
17
a.start();
18
b.start();
19
System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出?
20
System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState()); // 输出?
21
}
22
23
// 同步方法争夺锁
24
private synchronized void testMethod() {
25
try {
26
Thread.sleep(2000L);
27
} catch (InterruptedException e) {
28
e.printStackTrace();
29
}
30
}
Copied!
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。不打断点的情况下,上面代码中都应该输出RUNNABLE
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),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。
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?其实就处理下测试方法里的main线程就可以了,你让它“休息一会儿”,打断点或者调用Thread.sleep方法就行。
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:
1
public void blockedTest() throws InterruptedException {
2
······
3
a.start();
4
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
5
b.start();
6
System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出?
7
System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState()); // 输出?
8
}
Copied!
在这个例子中,由于main线程休眠,所以线程a的run()方法跟着执行,线程b再接着执行。
在线程a执行run()调用testMethod()之后,线程a休眠了2000ms(注意这里是没有释放锁的),main线程休眠完毕,接着b线程执行的时候是争夺不到锁的,所以这里输出:
1
a:TIMED_WAITING
2
b:BLOCKED
Copied!

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:
1
public void blockedTest() {
2
······
3
a.start();
4
a.join();
5
b.start();
6
System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出 TERMINATED
7
System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState());
8
}
Copied!
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TERMIATED
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:
1
public void blockedTest() {
2
······
3
a.start();
4
a.join(1000L);
5
b.start();
6
System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出 TIEMD_WAITING
7
System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState());
8
}
Copied!
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