面试官：小伙子，你给我详细说一下线程的状态有哪些吧？

Posted 2020-12-13

前言

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。

1）线程是如何工作的？

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，首先要
1）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，
2）此时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。
3）当遇到 Object.wait() 或 Thread.join() 方法时，线程会变为 WAITING（等待状态）状态，
4）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，
5）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：

2）知识扩展

2.1）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：
1）它们状态形成的调用方法不同，
2）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。

2.2）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：

在这里插入代码片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。

2.3）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);
    }
}

2.4）线程的常用方法

线程的常用方法有以下几个：

1）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：

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：

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。

2）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。

3）sleep()和yield()方法的区别

sleep()和yield()都是Thread类中的静态方法，都会使得当前处于运行状态的线程放弃CPU，但是两者的区别还是有比较大的：

sleep使当前线程（即调用sleep方法的线程暂停一段时间），给其它的线程运行的机会，而且是不考虑其它线程的优先级的，而且不释放资源锁，也就是说如果有synchronized同步块，其它线程仍然是不能访问共享数据的；yeild只会让位给优先级一样或者比它优先级高的线程，而且不能由用户指定暂停多长时间；
当线程执行了sleep方法之后，线程将转入到睡眠状态，直到时间结束，而执行yield方法，直接转入到就绪状态。这些对线程的生命周期会造成影响的；
sleep方法需要抛出或者捕获异常，因为线程在睡眠中可能被打断，而yield方法则没异常。