34-多线程(下)

文章摘自公众号：低并发编程

1. 线程状态的实质

首先你得明白，当我们说一个线程的状态时，说的是什么？没错，就是一个变量的值而已。哪个变量？Thread 类中的一个变量，叫：

private volatile int threadStatus = 0;

这个值是个整数，不方便理解，可以通过映射关系（VM.toThreadState），转换成一个枚举类。

public enum State {

    NEW,

    RUNNABLE,

    BLOCKED,

    WAITING,

    TIMED_WAITING,

    TERMINATED;

}

所以，我们就盯着 threadStatus 这个值的变化就好了。就是这么简单 ~

2. NEW

现在我们还没有任何 Thread 类的对象呢，也就不存在线程状态一说。一切的起点，要从把一个 Thread 类的对象创建出来，开始说起。

Thread t = new Thread();

当然，你后面可以接很多参数。

Thread t = new Thread(r, "name1");

你也可以 new 一个继承了 Thread 类的子类。

Thread t = new MyThread();

你说线程池怎么不 new 就可以有线程了呢？人家内部也是 new 出来的。

public class Executors {
  static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
      public Thread newThread(Runnable r) {
          Thread t = new Thread(...);
          ...
          return t;
      }
  }
}

总是，一切的开始，都要调用 Thread 类的构造方法。而这个构造方法，最终都会调用 Thread 类的 init() 方法。

private void init(
        ThreadGroup g,
        Runnable target,
        String name,
        long stackSize,
        AccessControlContext acc,
        boolean inheritThreadLocals) {

    ...
    this.grout = g;
    this.name = name;
    ...
    tid = nextThreadID();

}

这个 init() 方法，仅仅是给该 Thread 类的对象中的属性，附上值，除此之外啥也没干。

它没有给 theadStatus 再次赋值，所以它的值仍然是其默认值。

而这个值对应的状态，就是 STATE.NEW，非要翻译成中文，就叫初始态吧。

因此说了这么多，其实就分析出了，新建一个 Thread 类的对象，就是创建了一个新的线程，此时这个线程的状态，是 NEW（初始态）。

之后的分析，将弱化 threadStatus 这个整数值了，就直接说改变了其线程状态，大家知道其实就只是改变了 threadStatus 的值而已。

3. RUNNABLE

3.1 状态解释

你说，刚刚处于 NEW 状态的线程，对应操作系统里的什么状态呢？

一看你就没仔细看我上面的分析。

Thread t = new Thread();

只是做了些表面功夫，在 Java 语言层面将自己的一个对象中的属性附上值罢了，根本没碰到操作系统级别的东西呢。

所以这个 NEW 状态，不论往深了说还是往浅了说，还真就只是个无聊的枚举值而已。

下面，精彩的故事才刚刚开始。

躺在堆内存中无所事事的 Thread 对象，在调用了 start() 方法后，才显现生机。

t.start();

这个方法一调用，那可不得了，最终会调用到一个讨厌的 native 方法里。

private native void start0();

看来改变状态就并不是一句 threadStatus = xxx; 这么简单了，而是有本地方法对其进行了修改。

九曲十八弯跟进 jvm 源码之后，调用到了这个方法。

hotspot/src/os/linux/vm/os_linux.cpp
pthread_create(...);

大名鼎鼎的 unix 创建线程的方法：pthread_create。

此时，在操作系统内核中，才有了一个真正的线程，被创建出来。

而 Linux 操作系统，是没有所谓的刚创建但没启动的线程这种说法的，创建即刻开始运行。

虽然无法从源码发现线程状态的变化，但通过 debug 的方式，我们看到调用了 Thread.start() 方法后，线程的状态变成了 RUNNABLE（运行态），于是我们的状态图又丰富了起来。

通过这部分，我们知道如下几点：

1. 在 Java 调用 start() 后，操作系统中才真正出现了一个线程，并且立刻运行；
2. Java 中的线程，和操作系统内核中的线程，是一对一的关系；
3. 调用 start() 后，线程状态变为 RUNNABLE，这是由 native 方法里的某部分代码造成的。

3.2 RUNNING 和 READY

CPU 一个核心，同一时刻，只能运行一个线程。

具体执行哪个线程，要看操作系统 的调度机制。

所以，上面的 RUNNABLE 状态，准确说是，得到了可以随时准备运行的机会的状态。

而处于这个状态中的线程，也分为了：〈正在 CPU 中运行的线程〉和〈一堆处于就绪中等待 CPU 分配时间片来运行的线程〉。

处于就绪中的线程，会存储在一个就绪队列中，等待着被操作系统的调度机制选到，进入 CPU 中运行。

当然，要注意，这里的 RUNNING 和 READY 状态，是我们自己为了方便描述而造出来的。

无论是 Java 语言，还是操作系统，都不区分这两种状态，在 Java 中统统叫 RUNNABLE。

4. TERMINATED

当一个线程执行完毕（或者调用已经不建议的 stop() 方法），线程的状态就变为 TERMINATED。

此时这个线程已经无法死灰复燃了，如果你此时再强行执行 start 方法，将会报出错误：java.lang.IllegalThreadStateException。

很简单，因为 start() 方法的第一行就是这么直戳了当地写的。

public synchronized void start() {
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();
    ...
}

诶，那如果此时强行把 threadStatus 改成 0，会怎么样呢？你可以试试哟。

5. BLOCKED

上面把最常见，最简单的线程生命周期讲完了。

初始 --> 运行 --> 终止

没有发生任何的障碍。

接下来，就稍稍复杂一点了，我们让线程碰到些障碍。

首先创建一个对象 lock。

public static final Object lock = new Object();

一个线程，执行一个 sychronized 块，锁对象是 lock，且一直持有这把锁不放。

new Thread(() -> {
    synchronized (lock) {
        while (true) {}
    }
}).start();

另一个线程，也同样执行一个锁对象为 lock 的 sychronized 块。

new Thread(() -> {
    synchronized (lock) {
       ...
    }
}).start();

那么，在进入 synchronized 块时，因为无法拿到锁，会使线程状态变为 BLOCKED。

同样，对于 synchronized 方法，也是如此。

当该线程获取到了锁后，便可以进入 synchronized 块，此时线程状态变为 RUNNABLE。

因此我们得出如下转换关系。

当然，这只是线程状态的改变，线程还发生了一些实质性的变化。

我们不考虑虚拟机对 synchronized 的极致优化。

当进入 synchronized 块或方法，获取不到锁时，线程会进入一个〈该锁对象的同步队列〉。

当持有锁的这个线程，释放了锁之后，会唤醒该锁对象同步队列中的所有线程，这些线程会继续尝试抢锁。如此往复。

比如，有一个锁对象 A，线程 1 此时持有这把锁。线程 2、3、4 分别尝试抢这把锁失败。

线程 1 释放锁，线程 2、3、4 重新变为 RUNNABLE，继续抢锁，假如此时线程 3 抢到了锁。

如此往复。

6. WAITING

这部分是最复杂的，同时也是面试中考点最多的，将分成 3 部分讲解。听我说完后你会发现，这 3 部分有很多相同但地方，不再是孤立的知识点。

6.1 wait/notify

我们在刚刚的 synchronized 块中加点东西。

new Thread(() -> {
    synchronized (lock) {
       ...
       lock.wait();
       ...
    }
}).start();

当这个 lock.wait() 方法一调用，会发生 3 件事。

1. 释放锁对象 lock（隐含着必须先获取到这个锁才行）；
2. 线程状态变成 WAITING；
3. 线程进入 lock 对象的等待队列。

什么时候这个线程被唤醒，从等待队列中移出，并从 WAITING 状态返回 RUNNABLE 状态呢？

必须由另一个线程，调用同一个对象的 notify/notifyAll() 方法。

new Thread(() -> {
    synchronized (lock) {
       ...
       lock.notify();
       ...
    }
}).start();

只不过 notify() 是只唤醒一个线程，而 notifyAll() 是唤醒所有等待队列中的线程。

但需要注意，被唤醒后的线程，从等待队列移出，状态变为 RUNNABLE，但仍然需要抢锁，抢锁成功了，才可以从 wait() 方法返回，继续执行。

如果失败了，就和上一部分的 BLOCKED 流程一样了。

所以我们的整个流程图，现在变成了这个样子。

6.2 join

主线程这样写。

public static void main(String[] args) {
  thread t = new Thread(...);
  t.start();
  t.join();
  ...
}

当执行到 t.join() 的时候，主线程会变成 WAITING 状态，直到线程 t 执行完毕，主线程才会变回 RUNNABLE 状态，继续往下执行。

看起来，就像是主线程执行过程中，另一个线程插队加入（join），而且要等到其结束后主线程才继续。

因此我们的状态图，又多了 2 项。

那 join 又是怎么神奇地实现这一切呢？也是像 wait() 一样放到等待队列么？

打开 Thread.join() 的源码，你会发现它非常简单。

// Thread.java
// 无参的 join 有用的信息就这些，省略了额外分支 ...
public synchronized void join() {
  while (isAlive()) {
      wait();
  }
}

也就是说，他的本质仍然是执行了 wait() 方法，而锁对象就是 Thread t 对象本身。

那从 RUNNABLE 到 WAITING，就和执行了 wait() 方法完全一样了。

那从 WAITING 回到 RUNNABLE 是怎么实现的呢？

主线程调用了 wait()，需要另一个线程 notify() 才行，难道需要这个子线程 t 在结束之前，调用一下 t.notifyAll() 么？

答案是否定的，那就只有一种可能，线程 t 结束后，由 jvm 自动调用 t.notifyAll()，不用我们程序显示写出。

没错，就是这样。

怎么证明这一点呢？道听途说可不行，老子今天非要扒开 jvm 的外套。

果然，找到了如下代码。

// hotspot/src/share/vm/runtime/thread.cpp

void JavaThread::exit(...) {
  ...
  ensure_join(this);
  ...
}
static void ensure_join(JavaThread* thread) {
  ...
  lock.notify_all(thread);
  ...
}

我们看到，虚拟机在一个线程的方法执行完毕后，执行了个 ensure_join 方法，看名字就知道是专门为 join() 而设计的。

而继续跟进会发现一段关键代码：lock.notify_all，这便是一个线程结束后，会自动调用自己的 notifyAll() 方法的证明。

所以，其实 join() 就是 wait()，线程结束就是 notifyAll()。现在，是不是更清晰了。

6.3 park/unpark

有了上面 wait 和 notify 的机制，下面就好理解了。

• 一个线程调用方法：LockSupport.park();，该线程状态会从 RUNNABLE 变成 WAITING；
• 另一个线程调用：LockSupport.unpark(Thread 刚刚的线程)，刚刚的线程会从 WAITING 回到 RUNNABLE。

但从线程状态流转来看，与 wait 和 notify 相同。从实现机制上看，他们甚至更为简单。

1. park 和 unpark 无需事先获取锁，或者说跟锁压根无关；
2. 没有什么等待队列一说，unpark 会精准唤醒某一个确定的线程；
3. park 和 unpark 没有顺序要求，可以先调用 unpark。

关于第 3 点，就涉及到 park 的原理了，这里我只简单说明。

线程有一个计数器，初始值为 0。

• 调用 park 就是：如果这个值为 0，就将线程挂起，状态改为 WAITING。如果这个值为 1，则将这个值改为 0，其余的什么都不做；
• 调用 unpark 就是：将这个值改为 1。

然后我用三个例子，你就基本明白了。

// 例子1
LockSupport.unpark(Thread.currentThread()); // 1
LockSupport.park(); // 0
System.out.println("可以运行到这");

// 例子2
LockSupport.unpark(Thread.currentThread()); // 1
LockSupport.unpark(Thread.currentThread()); // 1
LockSupport.park(); // 0
System.out.println("可以运行到这");

// 例子3
LockSupport.unpark(Thread.currentThread()); // 1
LockSupport.unpark(Thread.currentThread()); // 1
LockSupport.park(); // 0
LockSupport.park(); // WAITING
System.out.println("不可以运行到这");

park 的使用非常简单，同时也是 JDK 中锁实现的底层。它的 JVM 及操作系统层面的原理很复杂，改天可以专门找一节来讲解。

现在我们的状态图，又可以更新了。

7. TIMED_WAITING

这部分就再简单不过了，将上面导致线程变成 WAITING 状态的那些方法，都增加一个超时参数，就变成了将线程变成 TIMED_WAITING 状态的方法了，我们直接更新流程图。

这些方法的唯一区别就是，从 TIMED_WAITING 返回 RUNNABLE，不但可以通过之前的方式，还可以通过到了超时时间，返回 RUNNABLE 状态。

就这样。

还有，大家看。

• wait 需要先获取锁，再释放锁，然后等待被 notify；
• join 就是 wait 的封装；
• park 需要等待 unpark 来唤醒，或者提前被 unpark 发放了唤醒许可。

那有没有一个方法，仅仅让线程挂起，只能通过等待超时时间到了再被唤醒呢。这个方法就是：

Thread.sleep(long);

我们把它补充在图里，这一部分就全了。

再把它加到全局图中。

8. 小结

Java 线程的状态，有 6 种：NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED。

经典的线程五态模型，有 5 种状态：创建、就绪、执行、阻塞、终止。

不同实现者，可能有合并和拆分。

比如 Java 将五态模型中的就绪和执行，都统一成 RUNNABLE，将阻塞（即不可能得到 CPU 运行机会的状态）细分为了 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING，这里我们不去评价好坏。

也就是说，BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 这几个状态，线程都不可能得到 CPU 的运行权，你叫它挂起、阻塞、睡眠、等待，都可以，很多文章，你也会看到这几个词没那么较真地来回用。

再说两个你可能困惑的问题。

Q1：调用 jdk 的 Lock 接口中的 lock，如果获取不到锁，线程将挂起，此时线程的状态是什么呢？

有多少同学觉得应该和 synchronized 获取不到锁的效果一样，是变成 BLOCKED 状态？

不过如果你仔细看我上面的文章，有一句话提到了，jdk 中锁的实现，是基于 AQS 的，而 AQS 的底层，是用 park 和 unpark 来挂起和唤醒线程，所以应该是变为 WAITING 或 TIMED_WAITING 状态。

Q2：调用阻塞 IO 方法，线程变成什么状态？换句话说，就如 socket 编程时，若调用 accept()/read() 这种阻塞方法时，线程处于什么状态呢？

答案是处于 RUNNABLE 状态，但实际上这个线程是得不到运行权的，因为在操作系统层面处于阻塞态，需要等到 IO 就绪，才能变为就绪态。
但是在 Java 层面，JVM 认为等待 IO 与等待 CPU 执行权，都是一样的，人家就是这么认为的，这里我仍然不讨论其好坏，你觉得这么认为不爽，可以自己设计一门语言，那你想怎么认为，别人也拿你没办法。

比如要我设计语言，我就认为可被 CPU 调度执行的线程，处于死亡态。这样我的这门语言一定会有个经典面试题，为什么闪客把可运行的线程定义为死亡态呢？