线程的生命周期

当线程被创建并启动以后,它既不是一启动就进入了执行状态,也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中,它要经过 新建(New)、就绪(Runnable)、运行(Running)、阻塞(Blocked)和死亡(Dead)5种状态。尤其是当线程启动以后,它不可能一直”霸占”着CPU独自运行,所以CPU需要在多条线程之间切换,于是 线程状态也会多次在运行、阻塞之间切换

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public enum State {
NEW, // 新创建的线程,未调用 start() 方法
RUNNABLE, // 线程正在运行中:可能是在 JVM 中运行,也可能在等待 CPU 时间片
BLOCKED, // 阻塞状态: 正等待锁的释放以进入同步区
WAITING, // 等待状态: 需要被其他线程唤醒才能重新进入 RUNNABLE 状态
TIMED_WAITING, // 超时等待状态: 等待一个具体的时间段,到期会被自动唤醒
TERMINATED; // 线程执行结束
}

线程状态转换图

其流程:

  • 调用new方法新建一个线程,这时线程处于新建状态
  • 调用start 方法启动一个线程, 这时线程处于就绪状态
  • 处于就绪状态的线程等待线程获取CPU资源,在等待其获取CPU资源后线程会执行run方法进入运行状态
  • 正在运行的线程在调用了yield方法或失去处理器资源时,会再次进入就绪状态
  • 正在执行的线程在执行了sleep方法、I/O阻塞、等待同步锁、等待通知、调用suspend方法等操作后,会挂起并进入阻塞状态,进入Blocked池
  • 阻塞状态的线程由于出现sleep时间已到、I/O方法返回、获得同步锁、收到通知、调用resume方法等情况,会再次进入就绪状态,等待CPU时间片的轮询。该线程在获取CPU资源后,会再次进入运行状态
  • 处于运行状态的线程,在调用run方法或call方法正常执行完成、调用stop方法停止线程或者程序执行错误导致异常退出时,会进入死亡状态

新建状态:New

在Java中使用new关键字创建一个线程,新创建的线程将处于新建状态。在创建线程时主要是为线程分配内存并初始化其成员变量的值。

  • 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;

就绪(Runnable)状态

当线程对象调用了start()方法之后,该线程处于 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

  • 该状态的线程一直处于 线程就绪队列(尽管是采用队列形式,事实上,把它称为可运行池而不是可运行队列。因为CPU的调度不一定是按照先进先出的顺序来调度的),线程并没有开始运行;

  • 此时线程 等待系统为其分配CPU时间片,并不是说执行了start()方法就立即执行;

调用start()方法与run()方法,对比如下:

  • 调用start()方法来启动线程,系统会把该run()方法当成线程执行体来处理。但如果直接调用线程对象的run()方法,则run()方法立即就会被执行,而且在run()方法返回之前其他线程无法并发执行。也就是说,系统把线程对象当成一个普通对象,而run()方法也是一个普通方法,而不是线程执行体

  • 需要指出的是,调用了线程的run()方法之后,该线程已经不再处于新建状态,不要再次调用线程对象的start()方法。只能对处于新建状态的线程调用start()方法,否则将引发IllegaIThreadStateExccption异常

运行(Running)状态

当CPU开始调度处于 就绪状态 的线程时,此时线程获得了CPU时间片才得以真正开始执行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;

处于运行状态的线程最为复杂,它 不可能一直处于运行状态(除非它的线程执行体足够短,瞬间就执行结束了),线程在运行过程中需要被中断,目的是使其他线程获得执行的机会,线程调度的细节取决于底层平台所采用的策略。线程状态可能会变为 阻塞状态、就绪状态和死亡状态。比如:

  • 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。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;

  • 对于采用 协作式策略的系统而言,只有当一个线程调用了它的yield()方法后才会放弃所占用的资源—也就是必须由该线程主动放弃所占用的资源,线程就会又 从运行状态变为就绪状态

阻塞(Blocked)状态

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

当发生如下情况时,线程将会进入阻塞状态:

  • 线程调用sleep()方法,主动放弃所占用的处理器资源,暂时进入中断状态(不会释放持有的对象锁),时间到后等待系统分配CPU继续执行;
  • 线程调用一个阻塞式IO方法,在该方法返回之前,该线程被阻塞;
  • 线程试图获得一个同步监视器,但该同步监视器正被其他线程所持有;
  • 程序调用了线程的suspend方法将线程挂起
  • 线程调用wait,等待notify/notifyAll唤醒时(会释放持有的对象锁);

阻塞状态分类:

  • 等待阻塞:运行状态中的 线程执行wait()方法,使本线程进入到等待阻塞状态;
  • 同步阻塞:线程在 获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程占用),它会进入到同步阻塞状态;
  • 其他阻塞:通过调用线程的 sleep()或join()或发出I/O请求 时,线程会进入到阻塞状态。当 sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕 时,线程重新转入就绪状态;

在阻塞状态的线程只能进入就绪状态,无法直接进入运行状态。而就绪和运行状态之间的转换通常不受程序控制,而是由系统线程调度所决定。当处于就绪状态的线程获得处理器资源时,该线程进入运行状态;当处于运行状态的线程失去处理器资源时,该线程进入就绪状态

但有一个方法例外,调用yield()方法可以让运行状态的线程转入就绪状态

等待(WAITING)状态

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,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;

以上两种一旦通过相关事件唤醒线程,线程就进入了 就绪(RUNNABLE)状态 继续运行。

时限等待(TIMED_WAITING)状态

线程进入了一个 时限等待状态,如:

  • sleep(3000)**,等待3秒后线程重新进行 **就绪(RUNNABLE)状态 继续运行。

死亡(Dead)状态

线程会以如下3种方式结束,结束后就处于 死亡状态

  • run()或call()方法执行完成,线程正常结束;

  • 线程抛出一个未捕获的Exception或Error

  • 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;

处于死亡状态的线程对象也许是活的,但是,它已经不是一个单独执行的线程。线程一旦死亡,就不能复生。 如果在一个死去的线程上调用start()方法,会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常

一旦线程通过start()方法启动后就再也不能回到新建(NEW)状态,线程终止后也不能再回到就绪(RUNNABLE)状态

终止(TERMINATED)状态

线程执行完毕后,进入终止(TERMINATED)状态。

线程相关方法

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public class Thread{
// 线程的启动
public void start();
// 线程体
public void run();
// 已废弃
public void stop();
// 已废弃
public void resume();
// 已废弃
public void suspend();
// 在指定的毫秒数内让当前正在执行的线程休眠
public static void sleep(long millis);
// 同上,增加了纳秒参数
public static void sleep(long millis, int nanos);
// 测试线程是否处于活动状态
public boolean isAlive();
// 中断线程
public void interrupt();
// 测试线程是否已经中断
public boolean isInterrupted();
// 测试当前线程是否已经中断
public static boolean interrupted();
// 等待该线程终止
public void join() throws InterruptedException;
// 等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒
public void join(long millis) throws InterruptedException;
// 等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒
public void join(long millis, int nanos) throws InterruptedException;
}

线程方法状态转换

线程就绪、运行和死亡状态转换

  1. 就绪状态转换为运行状态:此线程得到CPU资源;
  2. 运行状态转换为就绪状态:此线程主动调用yield()方法或在运行过程中失去CPU资源。
  3. 运行状态转换为死亡状态:此线程执行执行完毕或者发生了异常;

sleep & yield

sleep()**:通过sleep(millis)使线程进入休眠一段时间,该方法在指定的时间内无法被唤醒,同时也不会释放对象锁**;

注意如下几点问题:

  • sleep是静态方法,最好不要用Thread的实例对象调用它因为它睡眠的始终是当前正在运行的线程,而不是调用它的线程对象它只对正在运行状态的线程对象有效。看下面的例子:

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    public class Test1 {  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    MyThread myThread=new MyThread();
    myThread.start();
    // 这里sleep的就是main线程,而非myThread线程
    myThread.sleep(1000);
    Thread.sleep(10);
    for(int i=0;i<100;i++){
    System.out.println("main"+i);
    }
    }
    }
  • Java线程调度是Java多线程的核心,只有良好的调度,才能充分发挥系统的性能,提高程序的执行效率。但是不管程序员怎么编写调度,只能最大限度的影响线程执行的次序,而不能做到精准控制。因为使用sleep方法之后,线程是进入阻塞状态的,只有当睡眠的时间结束,才会重新进入到就绪状态,而就绪状态进入到运行状态,是由系统控制的,我们不可能精准的去干涉它,所以如果调用Thread.sleep(1000)使得线程睡眠1秒,可能结果会大于1秒。

yield()**:与sleep类似,也是Thread类提供的一个静态的方法,它也可以让当前正在执行的线程暂停,让出CPU资源给其他的线程。但是和sleep()方法不同的是,它不会进入到阻塞状态,而是进入到就绪状态。yield()方法只是让当前线程暂停一下,重新进入就绪线程池中,让系统的线程调度器重新调度器重新调度一次,完全可能出现这样的情况:当某个线程调用yield()方法之后,线程调度器又将其调度出来重新进入到运行状态执行**。

  • 实际上,当某个线程调用了yield()方法暂停之后,优先级与当前线程相同,或者优先级比当前线程更高的就绪状态的线程更有可能获得执行的机会,当然,只是有可能,因为我们不可能精确的干涉cpu调度线程。

关于sleep()方法和yield()方法的区别如下

  • sleep方法暂停当前线程后,会进入阻塞状态,只有当睡眠时间到了,才会转入就绪状态。而yield方法调用后 ,是直接进入就绪状态,所以有可能刚进入就绪状态,又被调度到运行状态;

  • sleep方法声明抛出了InterruptedException,所以调用sleep方法的时候要捕获该异常,或者显示声明抛出该异常。而yield方法则没有声明抛出任务异常

  • sleep方法比yield方法有更好的可移植性,通常不要依靠yield方法来控制并发线程的执行

join

线程的合并的含义就是 将几个并行线程的线程合并为一个单线程执行,应用场景是 当一个线程必须等待另一个线程执行完毕才能执行时,Thread类提供了join方法来完成这个功能,注意,它不是静态方法

join有3个重载的方法:

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void join()    
// 当前线程等该加入该线程后面,等待该线程终止。
void join(long millis)
// 当前线程等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒。 如果在millis时间内,该线程没有执行完,那么当前线程进入就绪状态,重新等待cpu调度
void join(long millis,int nanos)
// 等待该线程终止的时间最长为 millis 毫秒 + nanos 纳秒。如果在millis时间内,该线程没有执行完,那么当前线程进入就绪状

suspend & resume (已过时)

suspend-线程进入阻塞状态,但不会释放锁。此方法已不推荐使用,因为同步时不会释放锁,会造成死锁的问题

resume-使线程重新进入可执行状态

为什么 Thread.suspend 和 Thread.resume 被废弃了?

Thread.suspend 天生容易引起死锁。如果目标线程挂起时在保护系统关键资源的监视器上持有锁,那么其他线程在目标线程恢复之前都无法访问这个资源。如果要恢复目标线程的线程在调用 resume 之前试图锁定这个监视器,死锁就发生了。这种死锁一般自身表现为“冻结( frozen )”进程。

stop(已过时)

不推荐使用,且以后可能去除,因为它不安全。为什么 Thread.stop 被废弃了?

因为其天生是不安全的。停止一个线程会导致其解锁其上被锁定的所有监视器(监视器以在栈顶产生ThreadDeath异常的方式被解锁)。如果之前被这些监视器保护的任何对象处于不一致状态,其它线程看到的这些对象就会处于不一致状态。这种对象被称为受损的 (damaged)。当线程在受损的对象上进行操作时,会导致任意行为。这种行为可能微妙且难以检测,也可能会比较明显。

不像其他未受检的(unchecked)异常, ThreadDeath 悄无声息的杀死及其他线程。因此,用户得不到程序可能会崩溃的警告。崩溃会在真正破坏发生后的任意时刻显现,甚至在数小时或数天之后。

wait & notify/notifyAll

wait & notify/notifyAll这三个都是Object类的方法。使用 wait ,notify 和 notifyAll 前提是先获得调用对象的锁

调用 wait 方法后,释放持有的对象锁,线程状态有 Running 变为 Waiting,并将当前线程放置到对象的 等待队列

调用notify 或者 notifyAll 方法后,等待线程依旧不会从 wait 返回,需要调用 noitfy 的线程释放锁之后,等待线程才有机会从 wait 返回

notify 方法:将等待队列的一个等待线程从等待队列种移到同步队列中 ,而 notifyAll 方法:将等待队列种所有的线程全部移到同步队列,被移动的线程状态由 Waiting 变为 Blocked

线程优先级

每个线程执行时都有一个优先级的属性,优先级高的线程可以获得较多的执行机会,而优先级低的线程则获得较少的执行机会。与线程休眠类似,线程的优先级仍然无法保障线程的执行次序。只不过,优先级高的线程获取CPU资源的概率较大,优先级低的也并非没机会执行

每个线程默认的优先级都与创建它的父线程具有相同的优先级,在默认情况下,main线程具有普通优先级

Thread类提供了setPriority(int newPriority)和getPriority()方法来设置和返回一个指定线程的优先级,其中setPriority方法的参数是一个整数,范围是1~10之间,也可以使用Thread类提供的三个静态常量:

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3
MAX_PRIORITY   =	10
MIN_PRIORITY = 1
NORM_PRIORITY = 5

守护线程

守护线程与普通线程写法上基本没啥区别,**调用线程对象的方法setDaemon(true)**,则可以将其设置为守护线程。

守护线程使用的情况较少,但并非无用,举例来说,JVM的垃圾回收、内存管理等线程都是守护线程。还有就是在做数据库应用时候,使用的数据库连接池,连接池本身也包含着很多后台线程,监控连接个数、超时时间、状态等等

如何结束一个线程

Thread.stop()、Thread.suspend、Thread.resume、Runtime.runFinalizersOnExit 这些终止线程运行的方法已经被废弃了,使用它们是极端不安全的!想要安全有效的结束一个线程,可以使用下面的方法。

  • 正常执行完run方法,然后结束掉;

  • 控制循环条件和判断条件的标识符来结束掉线程;

Reference

线程生命周期

啃碎并发(二):Java线程的生命周期