Java并发编程—Java线程（上）：Java线程的生命周期

Java 并发编程
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发布日期:   2023-06-16
更新日期:   2023-07-04
文章字数:   3.4k
阅读时长:   12 分
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在 Java 领域，实现并发程序的主要手段就是多线程。线程是操作系统里的一个概念，虽然各种不同的开发语言如 Java、C# 等都对其进行了封装，但是万变不离操作系统。Java 语言里的线程本质上就是操作系统的线程，它们是一一对应的。

在操作系统层面，线程也有“生老病死”，专业的说法叫有生命周期。对于有生命周期的事物，要学好它，思路非常简单，只要能搞懂生命周期中各个节点的状态转换机制就可以了。

虽然不同的开发语言对于操作系统线程进行了不同的封装，但是对于线程的生命周期这部分，基本上是雷同的。所以，我们可以先来了解一下通用的线程生命周期模型，这部分内容也适用于很多其他编程语言；然后再详细有针对性地学习一下 Java 中线程的生命周期。

通用的线程生命周期

通用的线程生命周期基本上可以用下图这个“五态模型”来描述。这五态分别是：初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态。

这“五态模型”的详细情况如下所示。

  1. 初始状态，指的是线程已经被创建，但是还不允许分配 CPU 执行。这个状态属于编程语言特有的，不过这里所谓的被创建，仅仅是在编程语言层面被创建，而在操作系统层面，真正的线程还没有创建。
  2. 可运行状态，指的是线程可以分配 CPU 执行。在这种状态下，真正的操作系统线程已经被成功创建了，所以可以分配 CPU 执行。
  3. 当有空闲的 CPU 时，操作系统会将其分配给一个处于可运行状态的线程，被分配到 CPU 的线程的状态就转换成了运行状态。
  4. 运行状态的线程如果调用一个阻塞的 API（例如以阻塞方式读文件）或者等待某个事件（例如条件变量），那么线程的状态就会转换到休眠状态，同时释放 CPU 使用权，休眠状态的线程永远没有机会获得 CPU 使用权。当等待的事件出现了，线程就会从休眠状态转换到可运行状态。
  5. 线程执行完或者出现异常就会进入终止状态，终止状态的线程不会切换到其他任何状态，进入终止状态也就意味着线程的生命周期结束了。

这五种状态在不同编程语言里会有简化合并。例如，C 语言的 POSIX Threads 规范，就把初始状态和可运行状态合并了；Java 语言里则把可运行状态和运行状态合并了，这两个状态在操作系统调度层面有用，而 JVM 层面不关心这两个状态，因为 JVM 把线程调度交给操作系统处理了。

除了简化合并，这五种状态也有可能被细化，比如，Java 语言里就细化了休眠状态（这个下面我们会详细讲解）。

Java 中线程的生命周期

介绍完通用的线程生命周期模型，想必你已经对线程的“生老病死”有了一个大致的了解。那接下来我们就来详细看看 Java 语言里的线程生命周期是什么样的。

Java 语言中线程共有六种状态，分别是：

  1. NEW（初始化状态）
  2. RUNNABLE（可运行 / 运行状态）
  3. BLOCKED（阻塞状态）
  4. WAITING（无时限等待）
  5. TIMED_WAITING（有时限等待）
  6. TERMINATED（终止状态）

这看上去挺复杂的，状态类型也比较多。但其实在操作系统层面，Java 线程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一种状态，即前面我们提到的休眠状态。也就是说只要 Java 线程处于这三种状态之一，那么这个线程就永远没有 CPU 的使用权。

所以 Java 线程的生命周期可以简化为下图：

其中，BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 可以理解为线程导致休眠状态的三种原因。那具体是哪些情形会导致线程从 RUNNABLE 状态转换到这三种状态呢？而这三种状态又是何时转换回 RUNNABLE 的呢？以及 NEW、TERMINATED 和 RUNNABLE 状态是如何转换的？

1. RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换

只有一种场景会触发这种转换，就是线程等待 synchronized 的隐式锁。synchronized 修饰的方法、代码块同一时刻只允许一个线程执行，其他线程只能等待，这种情况下，等待的线程就会从 RUNNABLE 转换到 BLOCKED 状态。而当等待的线程获得 synchronized 隐式锁时，就又会从 BLOCKED 转换到 RUNNABLE 状态。

如果你熟悉操作系统线程的生命周期的话，可能会有个疑问：线程调用阻塞式 API 时，是否会转换到 BLOCKED 状态呢？在操作系统层面，线程是会转换到休眠状态的，但是在 JVM 层面，Java 线程的状态不会发生变化，也就是说 Java 线程的状态会依然保持 RUNNABLE 状态。JVM 层面并不关心操作系统调度相关的状态，因为在 JVM 看来，等待 CPU 使用权（操作系统层面此时处于可执行状态）与等待 I/O（操作系统层面此时处于休眠状态）没有区别，都是在等待某个资源，所以都归入了 RUNNABLE 状态。

而我们平时所谓的 Java 在调用阻塞式 API 时，线程会阻塞，指的是操作系统线程的状态，并不是 Java 线程的状态。

2. RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换

总体来说，有三种场景会触发这种转换。

第一种场景，获得 synchronized 隐式锁的线程，调用无参数的 Object.wait() 方法。

第二种场景，调用无参数的 Thread.join() 方法。其中的 join() 是一种线程同步方法，例如有一个线程对象 thread A，当调用 A.join() 的时候，执行这条语句的线程会等待 thread A 执行完，而等待中的这个线程，其状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。当线程 thread A 执行完，原来等待它的线程又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。

第三种场景，调用 LockSupport.park() 方法。其中的 LockSupport 对象，也许你有点陌生，其实 Java 并发包中的锁，都是基于它实现的。调用 LockSupport.park() 方法，当前线程会阻塞，线程的状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。调用 LockSupport.unpark(Thread thread) 可唤醒目标线程，目标线程的状态又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。

3. RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换

有五种场景会触发这种转换：

  1. 调用带超时参数的 Thread.sleep(long millis) 方法；
  2. 获得 synchronized 隐式锁的线程，调用带超时参数的 Object.wait(long timeout) 方法；
  3. 调用带超时参数的 Thread.join(long millis) 方法；
  4. 调用带超时参数的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline) 方法；
  5. 调用带超时参数的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法。

这里你会发现 TIMED_WAITING 和 WAITING 状态的区别，仅仅是触发条件多了超时参数。

4. 从 NEW 到 RUNNABLE 状态

Java 刚创建出来的 Thread 对象就是 NEW 状态，而创建 Thread 对象主要有两种方法。一种是继承 Thread 对象，重写 run() 方法。示例代码如下：

// 自定义线程对象
class MyThread extends Thread {
  public void run() {
    // 线程需要执行的代码
    ......
  }
}
// 创建线程对象
MyThread myThread = new MyThread();

另一种是实现 Runnable 接口，重写 run() 方法，并将该实现类作为创建 Thread 对象的参数。示例代码如下：

// 实现 Runnable 接口
class Runner implements Runnable {
  @Override
  public void run() {
    // 线程需要执行的代码
    ......
  }
}
// 创建线程对象
Thread thread = new Thread(new Runner());

NEW 状态的线程，不会被操作系统调度，因此不会执行。Java 线程要执行，就必须转换到 RUNNABLE 状态。从 NEW 状态转换到 RUNNABLE 状态很简单，只要调用线程对象的 start() 方法就可以了，示例代码如下：

MyThread myThread = new MyThread();
// 从 NEW 状态转换到 RUNNABLE 状态
myThread.start()；

5. 从 RUNNABLE 到 TERMINATED 状态

线程执行完 run() 方法后，会自动转换到 TERMINATED 状态，当然如果执行 run() 方法的时候异常抛出，也会导致线程终止。有时候我们需要强制中断 run() 方法的执行，例如 run() 方法访问一个很慢的网络，我们等不下去了，想终止怎么办呢？Java 的 Thread 类里面倒是有个 stop() 方法，不过已经标记为 @Deprecated，所以不建议使用了。正确的姿势其实是调用 interrupt() 方法。

那 stop() 和 interrupt() 方法的主要区别是什么呢？

stop() 方法会真的杀死线程，不给线程喘息的机会，如果线程持有 ReentrantLock 锁，被 stop() 的线程并不会自动调用 ReentrantLock 的 unlock() 去释放锁，那其他线程就再也没机会获得 ReentrantLock 锁，这实在是太危险了。所以该方法就不建议使用了，类似的方法还有 suspend() 和 resume() 方法，这两个方法同样也都不建议使用了，所以这里也就不多介绍了。

而 interrupt() 方法就温柔多了，interrupt() 方法仅仅是通知线程，线程有机会执行一些后续操作，同时也可以无视这个通知。被 interrupt 的线程，是怎么收到通知的呢？一种是异常，另一种是主动检测。

当线程 A 处于 WAITING、TIMED_WAITING 状态时，如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，会使线程 A 返回到 RUNNABLE 状态，同时线程 A 的代码会触发 InterruptedException 异常。上面我们提到转换到 WAITING、TIMED_WAITING 状态的触发条件，都是调用了类似 wait()、join()、sleep() 这样的方法，我们看这些方法的签名，发现都会 throws InterruptedException 这个异常。这个异常的触发条件就是：其他线程调用了该线程的 interrupt() 方法。

当线程 A 处于 RUNNABLE 状态时，并且阻塞在 java.nio.channels.InterruptibleChannel 上时，如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，线程 A 会触发 java.nio.channels.ClosedByInterruptException 这个异常；而阻塞在 java.nio.channels.Selector 上时，如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，线程 A 的 java.nio.channels.Selector 会立即返回。

上面这两种情况属于被中断的线程通过异常的方式获得了通知。还有一种是主动检测，如果线程处于 RUNNABLE 状态，并且没有阻塞在某个 I/O 操作上，例如中断计算圆周率的线程 A，这时就得依赖线程 A 主动检测中断状态了。如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，那么线程 A 可以通过 isInterrupted() 方法，检测是不是自己被中断了。

总结

理解 Java 线程的各种状态以及生命周期对于诊断多线程 Bug 非常有帮助，多线程程序很难调试，出了 Bug 基本上都是靠日志，靠线程 dump 来跟踪问题，分析线程 dump 的一个基本功就是分析线程状态，大部分的死锁、饥饿、活锁问题都需要跟踪分析线程的状态。同时，本文介绍的线程生命周期具备很强的通用性，对于学习其他语言的多线程编程也有很大的帮助。

你可以通过 jstack 命令或者Java VisualVM这个可视化工具将 JVM 所有的线程栈信息导出来，完整的线程栈信息不仅包括线程的当前状态、调用栈，还包括了锁的信息。导出线程栈，分析线程状态是诊断并发问题的一个重要工具。

课后思考

下面代码的本意是当前线程被中断之后，退出while(true)，你觉得这段代码是否正确呢？

Thread th = Thread.currentThread();
while(true) {
  if(th.isInterrupted()) {
    break;
  }
  // 省略业务代码无数
  try {
    Thread.sleep(100);
  }catch (InterruptedException e){
    e.printStackTrace();
  }
}

这看上去一点问题没有，实际上却是几乎起不了作用。原因是这段代码在执行的时候，大部分时间都是阻塞在 sleep(100) 上，当其他线程通过调用th.interrupt().来中断 th 线程时，大概率地会触发 InterruptedException 异常，在触发 InterruptedException 异常的同时，JVM 会同时把线程的中断标志位清除，所以这个时候th.isInterrupted()返回的是 false。

正确的处理方式应该是捕获异常之后重新设置中断标志位。

public class TestThread {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Worker t = new Worker();
		t.start();

		System.out.println("111111");
		t.interrupt();
		System.out.println("222222");


		//t.stop();
		//System.out.println("333333");


		//t.join();
		//System.out.println("444444");
	}
}


class Worker extends Thread {
	@Override
	public void run() {
		int i = 0;
		while (i < 20) {
			if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
				break;
			}
			i++;
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "i: " + i);
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				//Thread.currentThread().interrupt(); // 需要重新设置中断标志位
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

参考资料

文章作者: 张权
文章链接: https://www.zhangquan.me/2023/06/16/java-bing-fa-bian-cheng-java-xian-cheng-shang-java-xian-cheng-de-sheng-ming-zhou-qi/
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