【Java 多线程并发】 Java线程的状态及主要转化方法

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title: 【Java 多线程并发】 Java线程的状态及主要转化方法
date: 2023-07-03 09:42
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description: 【Java 多线程并发】 Java线程的状态及主要转化方法

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。

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）。

Java线程的6个状态

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

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。
在 native 的 start0() 方法中 将 threadStatus 设置 成 Runnable
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;
    }
}

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：

/**
 * 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。

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。

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。

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。

TERMINATED

终止状态。此时线程已执行完毕。

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：

线程中断

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false）；
  • 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。

什么是中断机制

  • 首先，一个线程不应该由其他线程来强制中断或停止，而是应该由线程自己自行停止，自己来决定自己的命运，所以，Thread.stop,Thread.suspend,Thread.resume都已经被废弃了
  • 其次，在Java中没有办法立即停止一条线程，然而停止线程却显得尤为重要，如取消一个耗时操作。因此，Java提供了一种用于停止线程的协商机制—-中断，也即中断标识协商机制
    • 中断只是一种协作协商机制，Java没有给中断增加任何语法，中断的过程完全需要程序员自行实现。若要中断一个线程，你需要手动调用该线程interrupt方法，该方法也仅仅是将该线程对象的中断标识设置为true，接着你需要自己写代码不断检测当前线程的标识位，如果为true，表示别的线程请求这条线程中断，此时究竟应该做什么需要你自己写代码实现。
    • 每个线程对象都有一个中断标识位，用于表示线程是否被中断；该标识位为true表示中断，为false表示未中断；通过调用线程对象的interrupt方法将该线程的标识位设置为true；可以在别的线程中调用，也可以在自己的线程中调用。

中断的相关API方法之三大方法说明

  • public void interrupt()
    • 实例方法 Just to set the interrupt flag
    • 实例方法仅仅是设置线程的中断状态为true，发起一个协商而不会立刻停止线程
  • public static boolean interrupted()
    • 静态方法 Thread.interrupted();
    • 判断线程是否被中断并清除当前中断状态（做了两件事情）
      • 1.返回当前线程的中断状态，测试当前线程是否已被中断
      • 2.将当前线程的中断状态清零并重新设置为false，清除线程的中断状态
    • 3.这个方法有点不好理解在于如果连续两次调用此方法，则第二次返回false，因为连续调用两次的结果可能不一样
  • public boolean isInterrupted()
    • 实例方法
    • 判断当前线程是否被中断（通过检查中断标志位)

当前线程的中断标识为true，是不是线程就立刻停止？

答案是不立刻停止，具体来说，当对一个线程，调用interrupt时：

  • 如果线程处于正常活动状态，那么会将该线程的中断标志设置为true，仅此而已，被设置中断标志的线程将继续正常运行，不受影响，所以interrupt()并不能真正的中断线程，需要被调用的线程自己进行配合才行，对于不活动的线程没有任何影响。
  • 如果线程处于阻塞状态（例如sleep,wait,join状态等），在别的线程中调用当前线程对象的interrupt方法，那么线程将立即退出被阻塞状态（interrupt状态也将被清除），并抛出一个InterruptedException异常。

总之，需要记住的是中断只是一种协商机制，修改中断标识位仅此而已，不是立刻stop打断

静态方法Thread.interrupted()，谈谈你的理解？

对于静态方法Thread.interrupted()和实例方法isInterrupted()区别在于：

  • 静态方法interrupted将会清除中断状态（传入的参数ClearInterrupted为true）
  • 实例方法isInterrupted则不会（传入的参数ClearInterrupted为false）

总结

  • public void interrupt() 是一个实例方法，它通知目标线程中断，也仅仅是设置目标线程的中断标志位为true
  • public boolean isInterrupted() 是一个实例方法，它判断当前线程是否被中断（通过检查中断标志位）并获取中断标志
  • public static boolean interrupted() 是一个静态方法，返回当前线程的中断真实状态（boolean类型）后会将当前线程的中断状态设为false，此方法调用之后会清楚当前线程的中断标志位的状态（将中断标志置为false了），返回当前值并清零置为false。