(二)线程的六种状态及上下文切换
- 2.1 操作系统中线程的状态及切换
- 2.2 Java 中线程的六种状态
- 01、NEW(线程尚未启动)
- 02、RUNNABLE(运行中)
- 03、BLOCKED(阻塞状态)
- 04、WAITING(等待状态)
- 05、TIMED_WAITING(超时等待状态)
- 06、TERMINATED(终止状态)
- 2.3 Java 中线程的状态切换
- 01、BLOCKED 与 WAITING 的区别,以及如何进入 RUNNABLE 状态
- 02、BLOCKED 与 RUNNABLE 状态的转换
- 03、WAITING 与 RUNNABLE 状态的转换
- 04、 TIMED_WAITING 与 RUNNABLE 状态的转换
- 2.4 为什么 notify()、wait() 等函数定义在 Object 中,而不是 Thread 中?
- 2.5 线程中断
- 01、什么是线程中断?
- 02、线程中断的两个场景
2.1 操作系统中线程的状态及切换
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(比如 I/O)。
2.2 Java 中线程的六种状态
Thread 类中有一个枚举 State,表示线程中的六种状态:
// Thread.State 源码
public enum State {
NEW,
RUNNABLE,
BLOCKED,
WAITING,
TIMED_WAITING,
TERMINATED;
}
状态名 | 说明 |
---|---|
NEW | 初始化状态,表示线程被创建了,但是还没有调用 start() 方法 |
RUNNABLE | 运行状态,Java 线程将操作系统中的就绪和运行状态笼统的称为"运行中" |
BLOCKED | 阻塞状态,表示线程阻塞于锁 |
WAITING | 等待状态,表示线程进入等待状态,进入该状态需要其他线程做出一些特定的动作(通知或中断) |
TIME_WAITING | 超时等待状态,进入该状态,线程在等待指定时间后自动返回(唤醒) |
TERMINATED | 终止状态,标识当前线程已经执行完毕 |
01、NEW(线程尚未启动)
处于 NEW 状态的线程此时尚未启动,也就是说还没有调用 Thread 实例的 start() 方法启动线程。
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread();
System.out.println(thread.getState()); // NEW
}
由此可见,new Thread() 只是创建了线程而并没有调用 start() 方法,此时的线程处于 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?
我们来扒一下 start() 方法的源码:
public synchronized void start() {
// 如果 threadStatus 不等于 0
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) {
/* do nothing. If start0 threw a Throwable then
it will be passed up the call stack */
}
}
}
在 start() 方法内部有一个 threadStatus 的变量。如果它不等于 0,就直接抛出异常。
如果 threadStatus 等于 0,接着会调用start0()
方法。这个方法是 native 修饰的,里面并没有对 threadStatus 的处理。
执行下面代码:
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread();
System.out.println(thread.getState()); // NEW
thread.start(); // 第一次调用
thread.start(); // 第二次调用
}
程序运行结果:
我两次调用 start() 方法后,程序抛出了异常。使用 debug 方式追踪一下程序的运行过程:
第一次调用 start() 方法
第二次调用 start() 方法
可以看到,两次调用 start() 方法时 threadStatus 的值:
- 第一次调用时,threadStatus = 0;
- 第二次调用时,threadStatus != 0。
查看一下线程此时的状态源码:
// Thread.getState方法源码
public State getState() {
// get current thread state
return sun.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
}
// sun.misc.VM.toThreadState方法源码
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;
}
}
所以,结合源码我们可以得到两个引申问题的答案:两个答案都是不可行的
。
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 = 2 表示当前线程状态是 TERMINATED。
02、RUNNABLE(运行中)
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。
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.
*/
翻译过来是这样的:
可运行线程的线程状态:处于可运行状态的线程正在Java虚拟机中执行,但它可能正在等待来自操作系统的其他资源(如处理器)。
注意: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。
03、BLOCKED(阻塞状态)
阻塞状态。处于 CLOCKED 状态的线程正等待锁的释放以进入同步区。
使用 BLOECKED 状态举一个生活中的小例子:
假如今天下班后我准备去食堂吃饭,在走向仅剩的一个有饭的窗口时发现,前面已经有个人在窗口面前了,此时我必须等前面的人从窗口离开才可以买饭。
假设我是线程 thread2,前面的那个人是线程 thread1。此时 thread1 占有了锁(仅剩的一个有饭的窗口),thread2 正在等待锁的释放,所以此时我这个线程 thread2 就处于 BOLCKED 状态。
04、WAITING(等待状态)
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。
调用以下三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。
执行 wait() 方法后,线程进入等待状态,进入等待状态的线程需要其他线程的通知(notify()、notifyAll()…等方法)唤醒才能够回到 RUNNABLE 状态。而超时等待状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制,也就是超时时间到达时将会返回到运行状态。
调用以下三个方法会解除线程等待状态
:
- Object.notify():唤醒一个等待线程。
- Object.notifyAll():唤醒所有的等待线程。
- LockSupport.unpark(Thread thread):唤醒指定的等待线程。
05、TIMED_WAITING(超时等待状态)
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。
调用以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;
调用以下方法会解除线程超时等待状态
:
- Object.notify():唤醒一个超时等待线程。
- Object.notifyAll():唤醒所有的超时等待线程。
- LockSupport.unpark(Thread thread):唤醒指定的超时等待线程。
06、TERMINATED(终止状态)
终止状态。此时线程已经执行完毕,进入这个状态有两个方式:
- run() 方法执行完毕,线程正常退出;
- 出现一个没有捕获的异常,终止了 run() 方法,最终导致意外终止。
2.3 Java 中线程的状态切换
先上一张图(Java 线程状态切换流程图):
01、BLOCKED 与 WAITING 的区别,以及如何进入 RUNNABLE 状态
- 线程在进入 synchronized 同步代码块时,并没有获取到 monitor 同步锁,此时就处于同步阻塞状态(synchronized 同步代码块都是基于 monitor 锁实现的)。
- BLOCKED 阻塞状态是在等待获取其他线程释放 monitor 锁,从而进入 RUNNABLE 状态。
这里需要明确指出一点大部分所认为的关于 WAITING 状态的错误看法:
- 我们知道,关于 wait() 和 notify()/notifyAll() 等方法,只能在 synchronized 同步代码块中才能调用,在外面调用则会抛出异常。
- 也就是说,其他线程通过调用 notify()/notifyAll() 等方法来唤醒当前处于 WAITING 状态的线程,因为当前线程是在 synchronized 代码块中的,所以唤醒后就进入到了 BLOCKED 阻塞状态,等获取到 monitor 锁后才能进入 RUNNABLE 状态。
- 如果处于 WAITING/TIMED_WAITING 状态的线程想直接进入到 RUNNABLE 状态,就需要其他 join 程序执行结束或被中断,或者执行 LockSupport.unpark() 方法,可以直接进入 RUNNABLE 状态。
看一下 JDK 文档中对 BLOCKED 状态的描述:
/**
* Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
* A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
* to enter a synchronized block/method or
* reenter a synchronized block/method after calling
* {@link Object#wait() Object.wait}.
*/
BLOCKED,
当一个阻塞在 wait 的线程,被另一个线程 notify 后,重新进入 synchronized 区域,此时需要重新获取锁,如果失败了,就变成 BLOCKED 状态。
对于这个描述,我们来一张图:
也就是说,我们不可以认为:从 WAITING/TIMED_WAITING 状态被 notify 后是直接进入到 BLOCKED 状态的。而是先进入到 RUNNABLE 状态等待 CPU 时间片的分配,分配到了时间片时才有机会尝试获取锁。如果获取锁成功,会直接进入到 running 状态;如果获取锁失败,就从 RUNNABLE 状态进入到 BLOCKED 状态。
02、BLOCKED 与 RUNNABLE 状态的转换
我们知道:处于 BLOCKED 状态的线程是因为在等待锁的释放
。假如有两个线程 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。
来看一个例子:
/**
* @author qiaohaojie
* @date 2023/7/1 18:39
*/
@Test
public void blockedTest() {
Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
testMethod();
}
}, "a");
Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
testMethod();
}
}, "b");
threadA.start();
threadB.start();
System.out.println(threadA.getName() + ":" + threadA.getState()); // ?
System.out.println(threadB.getName() + ":" + threadB.getState()); // ?
}
/**
* 同步方法争夺锁
*/
private synchronized void testMethod() {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行之前,我们可能会觉得线程 a 会先调用同步方法,同步方法内又调用了 Thread.sleep() 方法,所以线程 a 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。
其实不是的,有两点需要注意的:
- 在测试方法 blockedTest() 中还有一个 main 线程;
- 启动线程后执行 run() 方法还需要消耗一定的时间。
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,估计还没等两个线程真正开始争夺锁,就已经打印了此时两个线程的状态了(RUNNABLE)了。
当然,如果 CPU 执行效率低一点,其中某个线程也是会打印出 BLOCKED 状态的(此时两个线程已经开始争夺锁了)。
如果我们想要打印出 BLOCKED 状态该怎么处理呢?BLOCKED 状态的产生需要两个线程争夺锁,可以让 a 线程休息一下,但是要注意 main 线程的休息时间,要保证在线程争夺锁的时间内,而不是等到前一个线程锁都释放了才去争夺,此时是得不到 BLOCKED 状态的。
改下代码:
threadA.start();
// 需要注意这里main线程休眠了1000毫秒,而testMethod()里休眠了2000毫秒
try {
Thread.sleep(1000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
threadB.start();
System.out.println(threadA.getName() + ":" + threadA.getState()); // ?
System.out.println(threadB.getName() + ":" + threadB.getState()); // ?
这时两个线程的状态转换如下:
- a 线程的状态转换:RUNNABLE(threadA.start()) -> TIMED_WATING(Thread.sleep())->RUNABLE(sleep() 时间到)-> BLOCKED(未抢到锁) -> TERMINATED
- b 的状态转换:RUNNABLE(threadB.start()) -> BLOCKED(未抢到锁) ->TERMINATED
其中,斜体字表示可能出现的状态,有很多中情况,大家可以多试一试。
03、WAITING 与 RUNNABLE 状态的转换
有三个方法可以使线程从 RUNNABLE 状态转为 WAITING 状态。
-
Object.wait()
- 调用 wait() 方法前线程必须持有对象的锁,
只能在 synchronized 代码块中使用
。 - 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。
- 其他线程调用 notify() 方法只会唤醒单个等待锁的线程,如果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。
- 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 wait() 方法前线程必须持有对象的锁,
-
Thread.join()
调用 join() 方法,会一直等待这个线程执行完毕(转换为 TERMINATED 状态)。
再来改一下代码:
threadA.start(); try { // 等待A线程执行完毕后才执行B线程 threadA.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } threadB.start(); System.out.println(threadA.getName() + ":" + threadA.getState()); // a:TERMINATED System.out.println(threadB.getName() + ":" + threadB.getState()); // ?
A 线程启动后立马调用了 join() 方法,所以 main 线程就会等到 A 线程执行完毕后才会去执行 B 线程,结果可想而知,A 线程打印的状态值固定是 TERMINATED。但是 B 线程的状态就未知了,可能是 RUNNABLE、TIMED_WAITING 等。
-
LockSupport.park()
- LockSupport.park() 方法是 JUC 中 LockSupport 类中提供的一个用于线程挂起的方法,随时随地都可以调用。
- LockSupport 允许先调用 unpark(Thread t),后调用 park()。如果 thread1 先调用 unpark(thread2),然后线程 2 后调用 park(),线程 2 是不会阻塞的。
- 如果线程 1 先调用 notify(),然后线程 2 再调用 wait() 的话,线程 2 是会被阻塞的。
04、 TIMED_WAITING 与 RUNNABLE 状态的转换
TIMED_WAITING 与 WAITING 状态类似,只不过 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。需要注意的是,这里的 “睡眠” 只是暂时使线程停止执行,并不会释放锁,等待指定的时间后,线程会重新进入 RUNNABLE 状态。
-
Object.wait(long)
使线程进入 TIMED_WAITING 状态。这两个 wait() 方法都可以通过其他线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法来唤醒。但是,有参方法 wait(long) 如果没有其他线程来唤醒它,经过指定时间 long 后会自动唤醒,用友去争夺锁的资格。
-
Thread.join(long)
使当前线程执行指定时间,并且使线程进入 TIMED_WAITING 状态。
再来改下代码:
threadA.start(); try { threadA.join(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } threadB.start(); System.out.println(threadA.getName() + ":" + threadA.getState()); // TIMED_WAITING System.out.println(threadB.getName() + ":" + threadB.getState()); // ?
因为制定了具体 A 线程执行的时间,并且执行时间小于 A 线程的 sleep 时间(2000)的,所以 A 线程状态输出 TIMED-WAITING。B 线程状态仍然不固定,可能是 RUNNABLE 或 BLOCKED。
2.4 为什么 notify()、wait() 等函数定义在 Object 中,而不是 Thread 中?
Object 中的 wait()、notify() 方法和 synchronized 关键字一样,都是对对象的同步锁操作的。
wait() 方法会让当前线程等待,因为进入等待状态,所以会释放当前所持有的同步锁 monitor;如果不释放,其他线程就获取不到锁而永远无法运行,这是底层操作系统的规定!
我们都知道,处于等待状态的线程,可以通过 notify()、notifyAll() 等方法被唤醒,那么 notify() 方法是依据什么唤醒等待线程的呢?wait() 等待线程和 notify() 之间是通过什么关联起来的?
答案就是:对象的同步锁
。
负责唤醒等待线程的那个线程,我们称其为唤醒线程
,它只有在获取对象的同步锁(此处的同步锁和处于等待状态的线程的同步锁是同一个),并且调用 notify()/notifyAll() 方法后,才能唤醒等待线程。但是要注意,此时虽然等待线程被唤醒了,但是它还不能立即执行,因为唤醒线程还持有对象的同步锁,所以必须等唤醒线程释放了对象的同步锁之后,等待线程才能获取到对象的同步锁进而继续执行。
总之,notify()、notifyAll() 、wait() 等方法都依赖于同步锁,而同步锁是对象所持有的,并且每个对象有且仅有一个,这就是为什么 notify()、notifyAll() 和 wait() 等方法定义在 Object 类中,而不是 Thread 类中了。
2.5 线程中断
01、什么是线程中断?
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
。
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.currentThread().isInterrupted():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。
02、线程中断的两个场景
线程是否被中断,是通过一个共享变量 interrupted 来实现线程之间的通信。但凡有让线程阻塞的机制,都会有 InterruptedException 抛出,这样我们才能去响应它,在 catch 里发出要继续执行的操作。
有两个场景,分别是线程中断和线程复位:
-
线程中断
线程中断,字面意思很好理解,就是不让线程继续执行了。但是,并非是让线程立马终止,而是通过一个中断标志来判断线程是否要继续执行:
/** * 线程中断 * * @author qiaohaojie * @date 2023/6/26 22:48 */ public class InterruptedDemo01 implements Runnable { private int i = 0; @Override public void run() { // 中断标记,默认是false 相当于interrupted=false while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) { System.out.println("i=" + i++); } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread thread = new Thread(new InterruptedDemo01()); thread.start(); // 设置终止条件 相当于interrupted=true thread.interrupt(); } }
如果发出线程中断信号,就停止运行。其实质上就是设置一个共享变量的值 interrupt(默认是 false),通过 true 和 false 来判断线程是否继续运行:
/** * 替换InterruptedDemo01 * * @author qiaohaojie * @date 2023/6/27 23:04 */ public class InterruptedDemo03 implements Runnable { private static volatile boolean interrupt = false; private int i = 0; @Override public void run() { while (!interrupt) { System.out.println("i=" + i++); } } public static void main(String[] args) { Thread thread = new Thread(new InterruptedDemo03()); thread.start(); interrupt = true; } }
-
线程复位
线程的复位,可以理解为:唤醒阻塞状态下的线程:
/** * 线程复位 * * @author qiaohaojie * @date 2023/6/26 23:26 */ public class InterruptedDemo02 implements Runnable { @Override public void run() { while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) { // false try { TimeUnit.SECONDS.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { // 复位 false e.printStackTrace(); // 再次中断,true结束 也可以不做处理 Thread.currentThread().interrupt(); } } System.out.println("processer end"); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread thread = new Thread(new InterruptedDemo02()); thread.start(); // 给一点时间充分运行,确保可以进入while循环 Thread.sleep(1000); // 有作用:响应阻塞的线程 thread.interrupt(); // true } }
其中,
抛出的异常 InterruptedException 相当于线程的复位
,捕获异常后可以继续处理,也可以不做处理。