Java 多线程学习(5)画一张漂亮的图帮助理解 Java 线程的状态转换

最开始的打算是只写线程的状态及转换的(即下文中的 1、2 点),因为在看了 Thread 源码和别人写的关于线程状态转换的博客之后,心里挺明了的,觉得自己应该理解了。。。

不过在学 AQS 的时候发现用到了很多 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark(),涉及到挂起线程与唤醒线程,这个时候才意识到自己对于这一块其实并不是太熟,并不太清楚 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 是怎么用的(只知道一个会挂起线程,另一个会唤醒线程,但是其中的原理并不清楚),于是又跑去看 LockSupport 的源码、学习 Object.wait() 和 Object.notify() 的使用及原理,此时才觉得对线程状态的转换才算是入门了。

切实体会到了纸上谈兵是多么的可笑!好了,进入正题。


线程都有哪些状态呢?它们之间是如何转换的呢?如何通过代码来完成这些转换呢?这就是这篇文章要解决的问题。

其实之前对线程的状态还是了解过的,不过没有系统的整理过,有些知识点还是略微模糊的。例如:

  • 在哪些情况下线程会进入等待状态?(又分为限期等待和无限期等待两种)
  • 阻塞状态和等待状态的区别?
  • Object.wait() 和 Object.notify()、LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 如何使用?
  • ...

1、线程的 6 种状态

Java 线程(为什么说是 Java 线程呢?因为操作系统线程状态和这 6 个状态还有些许差异)一共有 6 种状态,Thread 类中专门定义了一个枚举类 State 来表示这 6 种状态。

(1)NEW(新建)

创建了一个 Thread 实例,还没有调用其 start() 方法,此时线程处于新建状态。

(2)RUNNABLE(运行)

运行状态包含了 Ready 和 Running 两种状态。什么意思呢?

Ready 状态的意思就是我已经准备好一切,只要让我用 CPU 我就能 Running,即正在等待 CPU 分配执行时间;

Running 状态就是得到了 CPU 的执行时间,正在运行。

(3)BLOCKED(阻塞)

线程 A 进入同步区域的时候,需要获取一个排他锁,若此时排他锁正在被另一个线程 B 占有,线程 A 将进入阻塞状态。

(4)WAITING(无限期等待)

处于这种状态的线程不会被分配 CPU 执行时间,它们要等待被其他线程显式地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态:

  • 没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法;
  • 没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法;
  • LockSupport.park() 方法。

(5)TIMED_WAITING(限期等待)

处于这种状态的线程也不会被分配 CPU 执行时间,不过无须等待被其他线程显式地唤醒,在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态:

  • Thread.sleep() 方法;
  • 设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法;
  • 设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法;
  • LockSupport.parkNanos() 方法;
  • LockSupport.parkUntil() 方法。

(6)TERMINATED(结束)

run() 方法执行完成,线程结束执行,此时的线程状态。

2、线程的状态转换图

上一节讲了线程的 6 个状态以及线程进入这 6 个状态的场景,其实不是很直观;下面的这幅图很直观的展示了线程状态的转换(建议自己去画一遍这个图,如果能不借助外物就能画出来的话,基本上线程状态转换也就没什么问题了)。

线程的状态转换

我个人觉得这图还挺好看的!不知诸位觉得如何?

3、如何通过代码展示上述几个状态?

(1)NEW(新建)

    private static void newState() {
        Thread newThread = new Thread("00-newThread");
        System.out.println(newThread.getState());
    }
复制代码

线程-新建-1

线程-新建-2

(2)RUNNABLE(运行)

    private static void runnableState() {
        Thread runnableThread = new Thread(() -> {
            while (true) {

            }
        }, "01-runnableThread");

        runnableThread.start();

        System.out.println(runnableThread.getState());
    }
复制代码

线程-运行

(3)BLOCKED(阻塞)

    private static void blockedState() {

        Thread holdLockThread = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                while (true) {

                }
            }
        }, "holdLockThread");

        holdLockThread.start();

        Thread blockedThread = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                while (true) {

                }
            }
        }, "04-blockedThread");

        blockedThread.start();

        System.out.println(blockedThread.getState());
    }
复制代码

线程-阻塞

(4)WAITING(无限期等待)

    private static void waitingState() {
        Thread waitingThread = new Thread(() -> {
            LockSupport.park();
        }, "02-waitingThread");

        waitingThread.start();

        System.out.println(waitingThread.getState());
    }
复制代码

线程-无限期等待

(5)TIMED_WAITING(限期等待)

    private static void timeWaitingState() {
        Thread timeWaitingThread = new Thread(() -> {
            LockSupport.parkUntil(LocalDateTime.now().plusDays(1).toEpochSecond(ZoneOffset.of("+8")) * 1000);
        }, "03-timeWaitingThread");

        timeWaitingThread.start();

        System.out.println(timeWaitingThread.getState());
    }
复制代码

线程-限期等待

(6)TERMINATED(结束)

    private static void terminatedState() {
        Thread terminatedThread = new Thread("05-terminatedThread");
        terminatedThread.start();
        try {
            terminatedThread.join();// 等待 terminatedThread 执行完成
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(terminatedThread.getState());
    }
复制代码

线程-结束

4、Object.wait() 和 Object.notify()

    private static void waitAndNotify() {

        Thread waitThread = new Thread(() -> {
            synchronized (waitAndNotify) {
                System.out.println("I'm wait thread.");
                try {
                    System.out.println("waiting...");
                    waitAndNotify.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("notified.");
            }
        }, "waitThread");

        Thread notifyThread = new Thread(() -> {
            synchronized (waitAndNotify) {
                System.out.println("I'm notified thread.");
                waitAndNotify.notify();
                System.out.println("notify wait thread.");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("after sleep 1 second.");
            }
        }, "notifyThread");

        waitThread.start();
        try {
            Thread.sleep(20);// 确保 waitThread 在 notifyThread 之前执行
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        notifyThread.start();
    }
复制代码

输出:

I'm wait thread.
waiting...
I'm notified thread.
notify wait thread.
after sleep 1 second.
notified.
复制代码

关于 Object.wait() 和 Object.notify() 补充几点:

(1)当前线程必须是 waitAndNotify monitor 的持有者,如果不是会抛 IllegalMonitorStateException;

(2)调用 waitAndNotify.wait() 方法会将当前线程放入 waitAndNotify 对象的 wait set 中等待被唤醒;并且释放其持有的所有锁;

(3)调用 waitAndNotify.notify() 方法会从 waitAndNotify 对象的 wait set 中唤醒一个线程(此例中的 waitThread),不过 waitThread 不会马上执行,它必须等待 notifyThread 释放 waitAndNotify 锁;当 waitThread 再次获得 waitAndNotify 锁,才可以再次执行。也就解释了为什么 notified. 会在最后输出。

5、LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark()

    private static void parkAndUnpark() {

        Thread parkThread = new Thread(() -> {
            System.out.println("park.");
            LockSupport.park();
            System.out.println("unpark.");
        }, "parkThread");

        parkThread.start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("after sleep 1 second");

        LockSupport.unpark(parkThread);
    }
复制代码

输出:

park.
after sleep 1 second
unpark.
复制代码

6、结语

本文差不多结束了,完整代码可在这里找到。不过遗留的问题其实还有很多:

  • 线程的中断?
  • Thread 中的 native 方法的底层实现(C++源码)
  • Object.wait() 和 Object.notify() 的底层原理(C++源码)
  • LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 的底层原理(C++源码)

遗留的这些问题基本上都是一些 native 方法,需要跟踪 C++ 源码;或者查看官方文档,比如: Threads and Locks

经过查阅资料以及对 C++ 源码的摸索,对于上面几个问题背后的原理我也正在理解中,后续我会将自己的一些理解整理出来。

我一直坚信,钻研技术要做到:知其然,知其所以然!

参考资料:

(1)Thread.java 源码

(2)《深入理解 Java 虚拟机》第二版.

猜你喜欢

转载自juejin.im/post/5e208da16fb9a02fdd389934