【原创】Java并发编程系列10 | 线程状态

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Java并发编程脑图
本文为何适原创并发编程系列第 10 篇，前面几篇没看过的，可以在文末找到前几篇的跳转链接。前面几篇理论知识介绍了一大堆，实际编程中线程应该怎么用呢？接下来就要开始介绍实际编程中如何操作线程，本文内容如下：

• 如何创建并启动线程？
• 创建并启动线程时需要注意些什么问题？
• 线程都有哪些状态？这些状态之间如果转换的？
• 应该如何查看线程的状态？

  1. 创建启动线程

---

两种方法

创建和启动线程两种方法：继承 Thread 类、实现 Runable 接口。
方法一：继承 Thread

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        thread.start();
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("创建线程");
    }
}

方法二：实现 Runable

public class Test {
    public static void main(String[] args)  {
        Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
        thread.start();
    }
}

class MyRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("创建线程");
    }
}

创建线程实现

通过查看 Thread 类代码，不管是继承 Thread 类创建线程还是实现 Runable 创建线程，都是调用 Thread 类的 init 方法，来看下 init 方法：

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
        long stackSize, AccessControlContext acc,
        boolean inheritThreadLocals) {
    if (name == null) {
        throw new NullPointerException("name cannot be null");
    }

    this.name = name;

    // 当前线程就是此新线程的父线程
    Thread parent = currentThread();
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (g == null) {
        if (security != null) {
            g = security.getThreadGroup();
        }
        if (g == null) {
            g = parent.getThreadGroup();
        }
    }

    g.checkAccess();

    if (security != null) {
        if (isCCLOverridden(getClass())) {
            security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
        }
    }

    g.addUnstarted();

    // 新线程继承了parent线程的group、是否为Daemon、优先级priority、加载资源的contextClassLoader、可继承的ThreadLocal。
    this.group = g;
    this.daemon = parent.isDaemon();
    this.priority = parent.getPriority();
    if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
        this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
    else
        this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
    this.inheritedAccessControlContext = acc != null ? acc
            : AccessController.getContext();
    this.target = target;
    setPriority(priority);
    if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
        this.inheritableThreadLocals = ThreadLocal
                .createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);

    this.stackSize = stackSize;

    // parent线程为新线程分配一个唯一的ID
    tid = nextThreadID();
}

通过 init 方法可以看出：
新构造的线程对象是由其 parent 线程来进行空间分配的。
新线程继承了 parent 线程的 group、是否为 Daemon、优先级 priority、加载资源的 contextClassLoader、可继承的 ThreadLocal。
parent 线程会分配一个唯一的 ID 来标识这个 child 新线程。
启动线程

start()方法启动线程。
线程 start()方法的含义是：当前线程（即 parent 线程）同步告知 Java 虚拟机，只要线程规划器空闲，应立即启动调用 start()方法的线程。
注意：
启动线程调用 start()方法，而不是 run()。
启动一个线程前，最好为这个线程设置线程名称，因为这样在使用 jstack 分析程序或者进行问题排查时，就会给开发人员提供一些提示，自定义的线程最好能够起个名字。

2. 线程状态

---

状态

1. 新建状态（NEW）

当程序使用 new 关键字创建了一个线程之后，线程就处于新建状态，此时的线程情况如下：
此时 JVM 为其分配内存，并初始化其成员变量的值；
此时线程对象没有表现出任何线程的动态特征，程序也不会执行线程的线程执行体；

2. 就绪状态（RUNNABLE）

当线程对象调用了 start()方法之后，线程处于就绪状态。此时的线程情况如下：
此时 JVM 会为其创建方法调用栈和程序计数器；
线程并没有开始运行，而是等待系统为其分配 CPU 时间片；

3. 运行状态（RUNNING）

当线程获得了 CPU 时间片，CPU 调度处于就绪状态的线程并执行 run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状态。
如果计算机只有一个CPU，那么在任何时刻只有一个线程处于运行状态；
如果在一个多处理器的机器上，将会有多个线程并行执行，处于运行状态；
当线程数大于处理器数时，依然会存在多个线程在同一个CPU上轮换的现象；
对于采用抢占式策略的系统而言，系统会给每个可执行的线程分配一个时间片来处理任务；当该时间片用完后，系统就会剥夺该线程所占用的资源，让其他线程获得执行的机会。此时线程就会又从运行状态变为就绪状态，重新等待系统分配资源。

4. 阻塞状态（BLOCKED）

处于运行状态的线程在某些情况下，让出 CPU 并暂时停止自己的运行，进入阻塞状态。如：线程阻塞于 synchronized 锁。

5. 等待状态（WAITING）

线程处于无限制等待状态，等待一个特殊的事件来重新唤醒，唤醒线程之后进入就绪状态，如：
通过wait()方法进行等待的线程等待一个notify()或者notifyAll()方法；
通过join()方法进行等待的线程等待目标线程运行结束而唤醒；

阻塞在 java.concurrent 包中 Lock 接口的线程状态不是 BLOCK 状态，而是 WAITING 等待状态，因为 java.concurrent 包中 Lock 接口对于阻塞的实现均使用了 LockSupport 类中的相关方法。

6. 超时等待状态（TIMED_WAITING）

线程进入了一个时限等待状态，如：sleep(3000)，等待 3 秒后线程重新进入就绪状态。

7. 死亡状态（DEAD）

线程会以如下 3 种方式结束，结束后就处于死亡状态：
① run()或 call()方法执行完成，线程正常结束；
② 线程抛出一个未捕获的 Exception 或 Error；
③ 直接调用该线程 stop()方法来结束该线程—该方法容易导致死锁，通常不推荐使用；
状态转换

线程状态转换——《Java并发编程艺术》
查看线程状态

Java 服务器问题排查中，经常需要查看线程状态来定位问题。
查看如下示例代码的线程运行状态：

public class ThreadState {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new RunThread(), "RunThread").start();// 一直处于RUNNABLE线程
        new Thread(new TimeWaiting(), "TimeWaitingThread").start();// TIMED_WAITING线程
        new Thread(new Waiting(), "WaitingThread").start();// WAITING线程
        new Thread(new Blocked(), "BlockedThread-1").start();// 获取锁之后TIMED_WAITING
        new Thread(new Blocked(), "BlockedThread-2").start();// 获取不到锁，被阻塞BLOCKED
    }

    // 该线程一直运行
    static class RunThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                System.out.println(1);
            }
        }
    }

    // 该线程不断地进行睡眠 TIMED_WAITING
    static class TimeWaiting implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    // 该线程在Waiting.class实例上等待 WAITING
    static class Waiting implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (Waiting.class) {
                    try {
                        Waiting.class.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

    // 该线程在Blocked.class实例上加锁后，不会释放该锁
    static class Blocked implements Runnable {
        public void run() {
            synchronized (Blocked.class) {
                while (true) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

Export 导出 jar 包 ThreadState.jar
Linux 环境或者 windows 的命令界面，运行 ThreadState.jar。
执行命令
java -cp ThreadState.jar test.ThreadState
到 java 安装目录（我的目录是：/usr/java/jdk1.8.0_161/bin）下，执行 ./jps ，显示如下：
5435 ThreadState
5435 就是 ThreadState.jar 程序的进程 id
执行命令 ./jstack 5435 ，查看线程状态

// 名为"BlockedThread-2" 的线程状态：TIMED_WAITING
"BlockedThread-2" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007fa8f0157800 nid=0x154f waiting on condition [0x00007fa8c962e000]
   java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
        at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
        at test.ThreadState$Blocked.run(ThreadState.java:61)
        - locked <0x00000000d9408370> (a java.lang.Class for test.ThreadState$Blocked)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

// 名为"BlockedThread-1" 的线程状态：BLOCKED
"BlockedThread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007fa8f0156000 nid=0x154e waiting for monitor entry [0x00007fa8c972f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at test.ThreadState$Blocked.run(ThreadState.java:61)
        - waiting to lock <0x00000000d9408370> (a java.lang.Class for test.ThreadState$Blocked)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

// 名为"WaitingThread" 的线程状态：WAITING
"WaitingThread" #11 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007fa8f0154000 nid=0x154d in Object.wait() [0x00007fa8c9830000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x00000000d9408560> (a java.lang.Class for test.ThreadState$Waiting)
        at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
        at test.ThreadState$Waiting.run(ThreadState.java:46)
        - locked <0x00000000d9408560> (a java.lang.Class for test.ThreadState$Waiting)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

// 名为"TimeWaitingThread" 的线程状态：TIMED_WAITING
"TimeWaitingThread" #10 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007fa8f0152800 nid=0x154c waiting on condition [0x00007fa8c9931000]
   java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
        at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
        at test.ThreadState$TimeWaiting.run(ThreadState.java:31)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

// 名为"RunThread" 的线程状态：RUNNABLE
"RunThread" #9 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007fa8f0150800 nid=0x154b runnable [0x00007fa8c9a32000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
        at java.io.FileOutputStream.writeBytes(Native Method)
        at java.io.FileOutputStream.write(FileOutputStream.java:326)
        at java.io.BufferedOutputStream.flushBuffer(BufferedOutputStream.java:82)
        at java.io.BufferedOutputStream.flush(BufferedOutputStream.java:140)
        - locked <0x00000000d942e020> (a java.io.BufferedOutputStream)
        at java.io.PrintStream.write(PrintStream.java:482)
        - locked <0x00000000d9404b30> (a java.io.PrintStream)
        at sun.nio.cs.StreamEncoder.writeBytes(StreamEncoder.java:221)
        at sun.nio.cs.StreamEncoder.implFlushBuffer(StreamEncoder.java:291)
        at sun.nio.cs.StreamEncoder.flushBuffer(StreamEncoder.java:104)
        - locked <0x00000000d9404ae8> (a java.io.OutputStreamWriter)
        at java.io.OutputStreamWriter.flushBuffer(OutputStreamWriter.java:185)
        at java.io.PrintStream.write(PrintStream.java:527)
        - eliminated <0x00000000d9404b30> (a java.io.PrintStream)
        at java.io.PrintStream.print(PrintStream.java:597)
        at java.io.PrintStream.println(PrintStream.java:736)
        - locked <0x00000000d9404b30> (a java.io.PrintStream)
        at test.ThreadState$RunThread.run(ThreadState.java:20)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

总结

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Java 中创建线程两种方法：继承 Thread 和实现 Runable。线程的启动调用 start 方法，线程执行 run 方法。
新构造的线程对象是由其 parent 线程来进行空间分配的和线程 id 的，新线程继承 parent 线程的 group、是否为 Daemon、优先级 priority 等属性。
线程的状态：NEW、RUNNABLE、RUNNING、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、DEAD。
Java 服务器问题排查过程中，常用的 jstack 命令查看线程状态。
参考资料

《Java 并发编程之美》
《Java 并发编程实战》
《Java 并发编程的艺术》
技术和媒体实验室-Java 并发和多线程教程: http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/index.html
The Java® Virtual Machine Specification: https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html

并发系列文章汇总

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【原创】03 | 重排序-可见性和有序性问题根源
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