Java多线程基础--线程生命周期与线程协作详解

leobertlan
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前言

各位亲爱的读者朋友，我正在创作 Java多线程系列 文章，本篇我们将梳理基础内容：线程生命周期与线程协作

这是非常基础的内容，本篇仅从 知识完整性 角度出发，做一次梳理。

作者按：本篇按照自己有限的知识进行整理，如有谬误，还请读者在评论区不吝指出

了解系列以及总纲：Java多线程系列

线程生命周期

面向对象设计中，广义上对象均具备生命周期，在狭义上，Thread 类实例的 状态 状态的转变即为线程生命周期。

依据JDK 1.5 开始的代码，Thread实例的State存在6种：

  • NEW
  • RUNNABLE
  • BLOCKED
  • WAITING
  • TIMED_WAITING
  • TERMINATED

并且有如下生命周期图：

thread_lifecycle1.jpeg

NEW 新建

尚未 start 的线程的状态，从代码上看：

Thread thread=new Thread();
thread.start();

在调用start前，即为 NEW 状态。

RUNNABLE 可运行

当start方法被调用后，即进入 RUNNABLE 状态，注意：

  • start方法多次调用将返回 IllegalThreadStateException 异常
  • RUNNABLE 存在两种细分：ready（就绪）和 running（运行），调用start时，如果native方法 start0 调用成功则线程就绪，调用失败则从 ThreadGroup 中移除。 就绪状态的线程被处理器调度获得CPU时间片，则变为 running

thread_runnable.jpeg

BLOCKED 阻塞

注意，JVM中线程的阻塞状态不同于操作系统的I/O阻塞，仅仅是在等待获取监视器锁，在JVM中，发生在进入（或者 调用过 Object#wait() 之后重新进入）synchronized 块/方法

WAITING 等待

线程进入这种状态意味着："等待其他线程执行特定操作"，笼统的从意图上看，它在等待其他线程的执行结果，当对方完成后唤醒它继续工作。

  • Object#wait() with no timeout
  • Thread#join() with no timeout
  • LockSupport#park()

如上三种方式可以让线程进入 WAITING 状态，只能等待其他线程进行唤醒

TIMED_WAITING 计时等待

类似于 WAITING 只不过这种等待是有时限的，

  • 当前线程 Thread#sleep 调用
  • 调用Object#wait() with timeout
  • 对其他线程调用 Thread#join(long) with timeout
  • LockSupport#parkNanos
  • LockSupport#parkUntil

会进入这种状态

TERMINATED 终止

线程中的所有任务执行完毕后进入这种状态，运行时异常或者Error也会导致线程进入终止状态。

小结

务必注意，以上6种状态是从jdk1.5开始引入的。

在一些博客、操作系统相关的书籍中，会看到类似下图的内容：

os_thread_lifecycle.png

注意，这是操作系统层面进程、或者早期的单线程进程时期的进程生命周期，不能简单的和Java线程生命周期混为一谈。

可以和Java的线程状态进行如下的映射关联：

thread_lifecycle.png

操作系统是从 CPU使用 的角度谈论线程的状态，而JVM是从自身 管理、调度 的角度谈论线程的状态，更贴切地讲是 服务于监测 ，它受限于JVM显式引入的机制。不难理解：

  • OS中的线程：ready、running均对应了 java线程的 RUNNABLE 状态；
  • 而OS中的线程因为 I/O 或者 Event wait 让出CPU使用权进入 waiting，并且 I/O、Event 尚未完成时，并不会进入到可使用CPU的 ready 状态。 在JVM层面：
    • 线程可能处在等待监视器锁的 BLOCKED 状态，
    • 也可能是通过操作进入了 WAITING、TIMED_WAITING 状态，
    • 也可能处于 RUNNABLE 状态 ，例如I/O发生时

线程API与线程协作

除却 Thread 中的API，Object中还有和监视器锁有关的API

Object相关API

必须在同步代码中调用（准确的讲：获取了对应的锁方可调用），否则抛出 IllegalMonitorStateException

Object#wait()

使当前线程 立刻 释放锁对象 、进入 WAITING 状态，直到被其他线程唤醒，进入等锁池。

Object#wait(long /*timeout*/)

和

Object#wait(long /*timeout*/,int /*nanos*/)
//jdk 1.8 源码附于下

使当前线程 立刻 释放锁对象 、进入 TIMED_WAITING 状态，直到被其他线程唤醒或者达到时间自动唤醒，进入等锁池。

//附 jdk 1.8
class Object {

    public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
        if (timeout < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }

        if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
            throw new IllegalArgumentException("nanosecond timeout value out of range");
        }

        if (nanos > 0) {
            timeout++;
        }

        wait(timeout);
    }
}

Object#notify()

在 同一个等待阻塞池中 随机唤醒一个处于等待中的线程

Object#notifyAll()

在 同一个等待阻塞池中 唤醒所有等待中的线程

Thread中相关的API

static Thread#interrupted()

检测当前线程是否已经中断,调用后将该线程的中断标志位设置为false

static Thread#sleep(long /*millis*/)

使当前线程睡眠，不释放锁对象，让其他线程具有被执行机会

static Thread#yield()

使当前线程放弃cpu的执行权。

但选择执行的线程依赖于线程的优先级，有可能又被重新选中

Thread#interrupt()

中断该线程，实际只是将中断标志设置为true

如果目标线程处在sleep(),join(),wait()中时，目标会收到抛出的 InterruptedException 异常

Thread#join()

阻塞当前线程，等待目标线程执行完毕后唤醒

Thread#join(long /*millis*/)

阻塞当前线程，等待目标线程执行完毕后、或者等待了设定的时间后唤醒

其他API略

线程之间的协作

不难理解，程序往往被设计为通过多个线程之间的协作完成一项复杂的任务，而每个线程所承担的职责也被简化。

但这种设计方式有利亦有弊，所面向的问题过于具化，模型难以复用。

作者按：当然，本文中所指的线程协作，仅局限于线程之间通过监视器锁、线程API让线程执行的顺序有序可控，在此基础上完成整体任务

本篇文章篇幅较短，内容也较为基础、浅显，但部分内容依旧值得深挖，例如JVM如何实现线程管理，可能短期内不会得到明显的提升但可以加深对JVM、OS、程序微观运行过程的理解。

另外，我删除了线程之间协作的WorkShop内容，内容过于干巴巴，如果有机会，我更希望以 三思系列 的形式结合具体实例展开讨论。

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