Java 源碼剖析(03)--線程的狀態有哪些？

線程（Thread）是併發編程的基礎，也是程序執行的最小單元，它依託進程而存在。一個進程中可以包含多個線程，多線程可以共享一塊內存空間和一組系統資源，因此線程之間的切換更加節省資源、更加輕量化，也因此被稱爲輕量級的進程。

1）線程是如何工作的？

線程的狀態在 JDK 1.5 之後以枚舉的方式被定義在 Thread 的源碼中，它總共包含以下 6 個狀態：

• NEW：新建狀態，線程被創建出來，但尚未啓動時的線程狀態；
• RUNNABLE：就緒狀態，表示可以運行的線程狀態，它可能正在運行，或者是在排隊等待操作系統給它分配 CPU 資源；
• BLOCKED：阻塞等待鎖的線程狀態，表示處於阻塞狀態的線程正在等待監視器鎖，比如等待執行 synchronized 代碼塊或者使用 synchronized 標記的方法；
• WAITING：等待狀態，一個處於等待狀態的線程正在等待另一個線程執行某個特定的動作，比如，一個線程調用了 Object.wait() 方法，那它就在等待另一個線程調用 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 方法；
• TIMED_WAITING：計時等待狀態，和等待狀態（WAITING）類似，它只是多了超時時間，比如調用了有超時時間設置的方法 Object.wait(long timeout) 和 Thread.join(long timeout) 等這些方法時，它纔會進入此狀態；
• TERMINATED：終止狀態，表示線程已經執行完成。

線程狀態的源代碼如下：

public enum State {
    /**
     * 新建狀態，線程被創建出來，但尚未啓動時的線程狀態
     */
    NEW,

    /**
     * 就緒狀態，表示可以運行的線程狀態，但它在排隊等待來自操作系統的 CPU 資源
     */
    RUNNABLE,

    /**
     * 阻塞等待鎖的線程狀態，表示正在處於阻塞狀態的線程
     * 正在等待監視器鎖，比如等待執行 synchronized 代碼塊或者
     * 使用 synchronized 標記的方法
     */
    BLOCKED,

    /**
     * 等待狀態，一個處於等待狀態的線程正在等待另一個線程執行某個特定的動作。
     * 例如，一個線程調用了 Object.wait() 它在等待另一個線程調用
     * Object.notify() 或 Object.notifyAll()
     */
    WAITING,

    /**
     * 計時等待狀態，和等待狀態 (WAITING) 類似，只是多了超時時間，比如
     * 調用了有超時時間設置的方法 Object.wait(long timeout) 和 
     * Thread.join(long timeout) 就會進入此狀態
     */
    TIMED_WAITING,

    /**
     * 終止狀態，表示線程已經執行完成
     */
}

線程的工作模式是，首先要
1）創建線程並指定線程需要執行的業務方法，然後再調用線程的 start() 方法，此時線程就從 NEW（新建）狀態變成了 RUNNABLE（就緒）狀態，
2）此時線程會判斷要執行的方法中有沒有 synchronized 同步代碼塊，如果有並且其他線程也在使用此鎖，那麼線程就會變爲 BLOCKED（阻塞等待）狀態，當其他線程使用完此鎖之後，線程會繼續執行剩餘的方法。
3）當遇到 Object.wait() 或 Thread.join() 方法時，線程會變爲 WAITING（等待狀態）狀態，
4）如果是帶了超時時間的等待方法，那麼線程會進入 TIMED_WAITING（計時等待）狀態，
5）當有其他線程執行了 notify() 或 notifyAll() 方法之後，線程被喚醒繼續執行剩餘的業務方法，直到方法執行完成爲止，此時整個線程的流程就執行完了，執行流程如下圖所示：

2）知識擴展

2.1）BLOCKED 和 WAITING 的區別

雖然 BLOCKED 和 WAITING 都有等待的含義，但二者有着本質的區別：
1）它們狀態形成的調用方法不同，
2）BLOCKED 可以理解爲當前線程還處於活躍狀態，只是在阻塞等待其他線程使用完某個鎖資源；而 WAITING 則是因爲自身調用了 Object.wait() 或着是 Thread.join() 又或者是 LockSupport.park() 而進入等待狀態，只能等待其他線程執行某個特定的動作才能被繼續喚醒，比如當線程因爲調用了 Object.wait() 而進入 WAITING 狀態之後，則需要等待另一個線程執行 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 才能被喚醒。

2.2）start() 和 run() 的區別

首先從 Thread 源碼來看，start() 方法屬於 Thread 自身的方法，並且使用了 synchronized 來保證線程安全，源碼如下：

public synchronized void start() {
    // 狀態驗證，不等於 NEW 的狀態會拋出異常
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();
    // 通知線程組，此線程即將啓動

    group.add(this);
    boolean started = false;
    try {
        start0();
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            // 不處理任何異常，如果 start0 拋出異常，則它將被傳遞到調用堆棧上
        }
    }
}

run() 方法爲 Runnable 的抽象方法，必須由調用類重寫此方法，重寫的 run() 方法其實就是此線程要執行的業務方法，源碼如下：

在這裏插入代碼片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();
}

從執行的效果來說，start() 方法可以開啓多線程，讓線程從 NEW 狀態轉換成 RUNNABLE 狀態，而 run() 方法只是一個普通的方法；
其次，它們可調用的次數不同，start() 方法不能被多次調用，否則會拋出 java.lang.IllegalStateException；而 run() 方法可以進行多次調用，因爲它只是一個普通的方法而已。

2.3）線程優先級

在 Thread 源碼中和線程優先級相關的屬性有 3 個：

// 線程可以擁有的最小優先級
public final static int MIN_PRIORITY = 1;

// 線程默認優先級
public final static int NORM_PRIORITY = 5;

// 線程可以擁有的最大優先級
public final static int MAX_PRIORITY = 10

線程的優先級可以理解爲線程搶佔 CPU 時間片的概率，優先級越高的線程優先執行的概率就越大，但並不能保證優先級高的線程一定先執行。
在程序中我們可以通過 Thread.setPriority() 來設置優先級，setPriority() 源碼如下：

public final void setPriority(int newPriority) {
    ThreadGroup g;
    checkAccess();
    // 先驗證優先級的合理性
    if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
    if((g = getThreadGroup()) != null) {
        // 優先級如果超過線程組的最高優先級，則把優先級設置爲線程組的最高優先級
        if (newPriority > g.getMaxPriority()) {
            newPriority = g.getMaxPriority();
        }
        setPriority0(priority = newPriority);
    }
}

2.4）線程的常用方法

線程的常用方法有以下幾個：
1）join()
在一個線程中調用 other.join() ，這時候當前線程會讓出執行權給 other 線程，直到 other 線程執行完或者過了超時時間之後再繼續執行當前線程，join() 源碼如下：

public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;
    // 超時時間不能小於 0
    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }
    // 等於 0 表示無限等待，直到線程執行完爲之
    if (millis == 0) {
        // 判斷子線程 (其他線程) 爲活躍線程，則一直等待
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        // 循環判斷
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

從源碼中可以看出 join() 方法底層還是通過 wait() 方法來實現的。

例如，在未使用 join() 時，代碼如下：

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("子線程睡眠：" + i + "秒。");
            }
        });
        thread.start(); // 開啓線程
        // 主線程執行
        for (int i = 1; i < 4; i++) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("主線程睡眠：" + i + "秒。");
        }
    }
}

程序執行結果爲：

主線程睡眠：1秒。
子線程睡眠：1秒。
主線程睡眠：2秒。
子線程睡眠：2秒。
主線程睡眠：3秒。
子線程睡眠：3秒。
子線程睡眠：4秒。
子線程睡眠：5秒。

從結果可以看出，在未使用 join() 時主子線程會交替執行。然後我們再把 join() 方法加入到代碼中，代碼如下：

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("子線程睡眠：" + i + "秒。");
            }
        });
        thread.start(); // 開啓線程
        thread.join(2000); // 等待子線程先執行 2 秒鐘
        // 主線程執行
        for (int i = 1; i < 4; i++) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("主線程睡眠：" + i + "秒。");
        }
    }
}

程序執行結果爲：

子線程睡眠：1秒。
子線程睡眠：2秒。
主線程睡眠：1秒。
// thread.join(2000); 等待 2 秒之後，主線程和子線程再交替執行
子線程睡眠：3秒。
主線程睡眠：2秒。
子線程睡眠：4秒。
子線程睡眠：5秒。
主線程睡眠：3秒。

從執行結果可以看出，添加 join() 方法之後，主線程會先等子線程執行 2 秒之後才繼續執行。

2）yield()
看 Thread 的源碼可以知道 yield() 爲本地方法，也就是說 yield() 是由 C 或 C++ 實現的，源碼如下：

public static native void yield();

yield() 方法表示給線程調度器一個當前線程願意出讓 CPU 使用權的暗示，但是線程調度器可能會忽略這個暗示。
比如我們執行這段包含了 yield() 方法的代碼，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("線程：" +
                        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();
}

當我們把這段代碼執行多次之後會發現，每次執行的結果都不相同，這是因爲 yield() 執行非常不穩定，線程調度器不一定會採納 yield() 出讓 CPU 使用權的建議，從而導致了這樣的結果。

3）sleep()和yield()方法的區別
sleep()和yield()都是Thread類中的靜態方法，都會使得當前處於運行狀態的線程放棄CPU，但是兩者的區別還是有比較大的：

• sleep使當前線程（即調用sleep方法的線程暫停一段時間），給其它的線程運行的機會，而且是不考慮其它線程的優先級的，而且不釋放資源鎖，也就是說如果有synchronized同步塊，其它線程仍然是不能訪問共享數據的；yeild只會讓位給優先級一樣或者比它優先級高的線程，而且不能由用戶指定暫停多長時間；
• 當線程執行了sleep方法之後，線程將轉入到睡眠狀態，直到時間結束，而執行yield方法，直接轉入到就緒狀態。這些對線程的生命週期會造成影響的；
• sleep方法需要拋出或者捕獲異常，因爲線程在睡眠中可能被打斷，而yield方法則沒異常。

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