详解JAVA 线程-线程的状态有哪些？它是如何工作的？

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

线程（Thread）是并发编程的基础，也是程序执行的最小单元，它依托进程而存在。

一个进程中可以包含多个线程，多线程可以共享一块内存空间和一组系统资源，因此线程之间的切换更加节省资源、更加轻量化，也因此被称为轻量级的进程。

线程的状态在 JDK 1.5 之后以枚举的方式被定义在 Thread 的源码中，它总共包含以下 6 个状态：

  • NEW，新建状态，线程被创建出来，但尚未启动时的线程状态；

  • RUNNABLE，就绪状态，表示可以运行的线程状态，它可能正在运行，或者是在排队等待操作系统给它分配 CPU 资源；

  • BLOCKED，阻塞等待锁的线程状态，表示处于阻塞状态的线程正在等待监视器锁，比如等待执行 synchronized 代码块或者使用 synchronized 标记的方法；

  • WAITING，等待状态，一个处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行某个特定的动作，比如，一个线程调用了 Object.wait() 方法，那它就在等待另一个线程调用 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 方法；

  • TIMED_WAITING，计时等待状态，和等待状态（WAITING）类似，它只是多了超时时间，比如调用了有超时时间设置的方法 Object.wait(long timeout) 和 Thread.join(long timeout) 等这些方法时，它才会进入此状态；

  • TERMINATED，终止状态，表示线程已经执行完成。

线程状态的源代码如下：

public enum State {
 /**
  * 新建状态，线程被创建出来，但尚未启动时的线程状态
  */
 NEW,
 /**
  * 就绪状态，表示可以运行的线程状态，但它在排队等待来自操作系统的 CPU 资源
  */
 RUNNABLE,
 /**
  * 阻塞等待锁的线程状态，表示正在处于阻塞状态的线程
  * 正在等待监视器锁，比如等待执行 synchronized 代码块或者
  * 使用 synchronized 标记的方法
  */
 BLOCKED,
 /**
  * 等待状态，一个处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行某个特定的动作。
  * 例如，一个线程调用了 Object.wait() 它在等待另一个线程调用
  * Object.notify() 或 Object.notifyAll()
  */
 WAITING,
 /**
  * 计时等待状态，和等待状态 (WAITING) 类似，只是多了超时时间，比如
  * 调用了有超时时间设置的方法 Object.wait(long timeout) 和 
  * Thread.join(long timeout) 就会进入此状态
  */
 TIMED_WAITING,
 /**
  * 终止状态，表示线程已经执行完成
  */
}

线程的工作模式是，首先先要创建线程并指定线程需要执行的业务方法，然后再调用线程的 start() 方法，此时线程就从 NEW（新建）状态变成了 RUNNABLE（就绪）状态；

然后线程会判断要执行的方法中有没有 synchronized 同步代码块，如果有并且其他线程也在使用此锁，那么线程就会变为 BLOCKED（阻塞等待）状态，当其他线程使用完此锁之后，线程会继续执行剩余的方法。

当遇到 Object.wait() 或 Thread.join() 方法时，线程会变为 WAITING（等待状态）状态；

如果是带了超时时间的等待方法，那么线程会进入 TIMED_WAITING（计时等待）状态；

当有其他线程执行了 notify() 或 notifyAll() 方法之后，线程被唤醒继续执行剩余的业务方法，直到方法执行完成为止，此时整个线程的流程就执行完了，执行流程如下图所示：

【BLOCKED 和 WAITING 的区别】

虽然 BLOCKED 和 WAITING 都有等待的含义，但二者有着本质的区别。

首先它们状态形成的调用方法不同。

其次 BLOCKED 可以理解为当前线程还处于活跃状态，只是在阻塞等待其他线程使用完某个锁资源；

而 WAITING 则是因为自身调用了 Object.wait() 或着是 Thread.join() 又或者是 LockSupport.park() 而进入等待状态，只能等待其他线程执行某个特定的动作才能被继续唤醒。

比如当线程因为调用了 Object.wait() 而进入 WAITING 状态之后，则需要等待另一个线程执行 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 才能被唤醒。

【start() 和 run() 的区别】

首先从 Thread 源码来看，start() 方法属于 Thread 自身的方法，并且使用了 synchronized 来保证线程安全，源码如下：

public synchronized void start() {
 // 状态验证，不等于 NEW 的状态会抛出异常
 if (threadStatus != 0)
  throw new IllegalThreadStateException();
 // 通知线程组，此线程即将启动
 group.add(this);
 boolean started = false;
 try {
  start0();
  started = true;
 } finally {
  try {
   if (!started) {
    group.threadStartFailed(this);
   }
  } catch (Throwable ignore) {
   // 不处理任何异常，如果 start0 抛出异常，则它将被传递到调用堆栈上
  }
 }
}

run() 方法为 Runnable 的抽象方法，必须由调用类重写此方法，重写的 run() 方法其实就是此线程要执行的业务方法，源码如下：

public class Thread implements Runnable {
 // 忽略其他方法......
 private Runnable target;
 @Override
 public void run() {
  if (target != null) {
   target.run();
  }
 }
}
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
 public abstract void run();
}

从执行的效果来说，start() 方法可以开启多线程，让线程从 NEW 状态转换成 RUNNABLE 状态，而 run() 方法只是一个普通的方法。

其次，它们可调用的次数不同，start() 方法不能被多次调用，否则会抛出 java.lang.IllegalStateException；而 run() 方法可以进行多次调用，因为它只是一个普通的方法而已。

【线程优先级】

在 Thread 源码中和线程优先级相关的属性有 3 个：

// 线程可以拥有的最小优先级
public final static int MIN_PRIORITY = 1;
// 线程默认优先级
public final static int NORM_PRIORITY = 5;
// 线程可以拥有的最大优先级
public final static int MAX_PRIORITY = 10

线程的优先级可以理解为线程抢占 CPU 时间片的概率，优先级越高的线程优先执行的概率就越大，但并不能保证优先级高的线程一定先执行。

在程序中我们可以通过 Thread.setPriority() 来设置优先级，setPriority() 源码如下：

public final void setPriority(int newPriority) {
 ThreadGroup g;
 checkAccess();
 // 先验证优先级的合理性
 if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
  throw new IllegalArgumentException();
 }
 if((g = getThreadGroup()) != null) {
  // 优先级如果超过线程组的最高优先级，则把优先级设置为线程组的最高优先级
  if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
   newPriority = g.getMaxPriority();
  }
  setPriority0(priority = newPriority);
 }
}

【线程的常用方法】

线程的常用方法有以下几个。

join()

在一个线程中调用 other.join() ，这时候当前线程会让出执行权给 other 线程，直到 other 线程执行完或者过了超时时间之后再继续执行当前线程，join() 源码如下：

public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
 long base = System.currentTimeMillis();
 long now = 0;
 // 超时时间不能小于 0
 if (millis < 0) {
  throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
 }
 // 等于 0 表示无限等待，直到线程执行完为之
 if (millis == 0) {
  // 判断子线程 (其他线程) 为活跃线程，则一直等待
  while (isAlive()) {
   wait(0);
  }
 } else {
  // 循环判断
  while (isAlive()) {
   long delay = millis - now;
   if (delay <= 0) {
    break;
   }
   wait(delay);
   now = System.currentTimeMillis() - base;
  }
 }
}

从源码中可以看出 join() 方法底层还是通过 wait() 方法来实现的。

例如，在未使用 join() 时，代码如下：

public class ThreadExample {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Thread thread = new Thread(() -> {
   for (int i = 1; i < 6; i++) {
    try {
     Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("子线程睡眠：" + i + "秒。");
   }
  });
  thread.start(); // 开启线程
  // 主线程执行
  for (int i = 1; i < 4; i++) {
   try {
    Thread.sleep(1000);
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }
   System.out.println("主线程睡眠：" + i + "秒。");
  }
 }
}

程序执行结果为：

复制主线程睡眠：1秒。

子线程睡眠：1秒。

主线程睡眠：2秒。

子线程睡眠：2秒。

主线程睡眠：3秒。

子线程睡眠：3秒。

子线程睡眠：4秒。

子线程睡眠：5秒。

从结果可以看出，在未使用 join() 时主子线程会交替执行。

然后我们再把 join() 方法加入到代码中，代码如下：

public class ThreadExample {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Thread thread = new Thread(() -> {
   for (int i = 1; i < 6; i++) {
    try {
     Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("子线程睡眠：" + i + "秒。");
   }
  });
  thread.start(); // 开启线程
  thread.join(2000); // 等待子线程先执行 2 秒钟
  // 主线程执行
  for (int i = 1; i < 4; i++) {
   try {
    Thread.sleep(1000);
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }
   System.out.println("主线程睡眠：" + i + "秒。");
  }
 }
}

程序执行结果为：

复制子线程睡眠：1秒。

子线程睡眠：2秒。

主线程睡眠：1秒。

// thread.join(2000); 等待 2 秒之后，主线程和子线程再交替执行

子线程睡眠：3秒。

主线程睡眠：2秒。

子线程睡眠：4秒。

子线程睡眠：5秒。

主线程睡眠：3秒。

从执行结果可以看出，添加 join() 方法之后，主线程会先等子线程执行 2 秒之后才继续执行。

yield()

看 Thread 的源码可以知道 yield() 为本地方法，也就是说 yield() 是由 C 或 C++ 实现的，源码如下：

public static native void yield();

yield() 方法表示给线程调度器一个当前线程愿意出让 CPU 使用权的暗示，但是线程调度器可能会忽略这个暗示。

比如我们执行这段包含了 yield() 方法的代码，如下所示：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Runnable runnable = new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
   for (int i = 0; i < 10; i++) {
    System.out.println("线程：" +
      Thread.currentThread().getName() + " I：" + i);
    if (i == 5) {
     Thread.yield();
    }
   }
  }
 };
 Thread t1 = new Thread(runnable, "T1");
 Thread t2 = new Thread(runnable, "T2");
 t1.start();
 t2.start();
}

当我们把这段代码执行多次之后会发现，每次执行的结果都不相同，这是因为 yield() 执行非常不稳定，线程调度器不一定会采纳 yield() 出让 CPU 使用权的建议，从而导致了这样的结果。

以上是 详解JAVA 线程-线程的状态有哪些？它是如何工作的？ 的全部内容， 来源链接： utcz.com/z/355206.html

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