低并发编程

战略上藐视技术，战术上重视技术

闪客：小宇你怎么了，我看你脸色很不好呀。

小宇：今天去面试了，面试官问我 Java 线程的状态及其转化。

闪客：哦哦，很常见的面试题呀，不是有一张状态流转图嘛。

小宇：我知道，可是我每次面试的时候，脑子里记过的流转图就变成这样了。

闪客：哈哈哈。

小宇：你还笑，气死我了，你能不能给我讲讲这些乱七八糟的状态呀。

闪客：没问题，还是老规矩，你先把所有状态都忘掉，听我从头道来！

小宇：好滴。

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。

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。

RUNNABLE

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.cpppthread_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。

那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。

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。

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。

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。

WAITING

这部分是最复杂的，同时也是面试中考点最多的，将分成三部分讲解。听我说完后你会发现，这三部分有很多相同但地方，不再是孤立的知识点。

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，会发生三件事。

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。

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，又多了两项。

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.cppvoid 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。

park/unpark

有了上面 wait 和 notify 的机制，下面就好理解了。

一个线程调用如下方法。

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

关于第三点，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。

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。

后记

Java 线程的状态，有六种

NEW

RUNNABLE

BLOCKED

WAITING

TIMED_WAITING

TERMINATED

而经典的线程五态模型，有五种状态

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。

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。

调用阻塞 IO 方法，线程变成什么状态？

比如 socket 编程时，调用如 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？

OK，今天的文章就到这里。

本篇文章写得有点投入，写到这发现把开头都小宇都给忘了。

写这篇文章时又看到了很多的细节，包括发现了《并发编程的艺术》这本书关于线程状态这块的明显错误，下周找时间可以跟大家继续聊聊。

完～

Java 线程的状态及转换

线程状态的实质

NEW

RUNNABLE

RUNNING 和 READY

TERMINATED

BLOCKED

WAITING

wait/notify

join

park/unpark

后记