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Java 线程的生命周期

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在操作系统层面,线程也有 【生命周期】,这是并发编程的基础我们需要掌握其中生命周期中各个节点的状态转换机制以及持有锁状态。文本将会介绍系统的周期以及在 Java编程语言的生命周期区别。打通并发编程任督二脉需要将基本心法牢牢掌握。

通用的生命周期

可以用如下图所示的 “五态模式” 来描述,分别为:初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态、终止状态。

通用生命周期

  • 初始状态:线程被创建,但是还不允许分配 CPU 执行,属于编程语言特有,仅仅是在编程语言创建,操作系统层面还没有。
  • 可运行状态:可以分配 CPU 执行,操作系统也创建了线程。
  • 运行状态:可运行状态的线程获取到 CPU 时间分片就转换成了运行状态。
  • 休眠状态:运行状态的 线程调用了一个阻塞的 API 或者等待某个事件,就会转换成休眠状态,同时会释放 CPU 使用权,当等待的事件出现了,线程就会从休眠状态转换为可运行状态。
  • 终止状态:线程执行完成或者异常则进入终止状态,也就意味着线程的生命周期结束了。

Java 中的线程生命周期

接下来我们着重看看 Java 中的生命周期,一共有 6 种状态,分别是:

  • 新建 (New) :当程序使用 new 关键字创建了一个线程后。此时由 JVM 为其分配内存,并初始化其成员变量的值。
  • 可运行/就绪(Runnable):当调用了 start()方法,线程就处于可运行状态。Java 虚拟机会为其创建方法调用栈可程序计数器,等到调度运行。
  • 运行状态(Running):处于可运行状态的线程获得 CPU 分片后,执行 run()方法。
  • 阻塞(Blocked):当处于运行状态的线程失去了所占有的资源。
  • 死亡(Dead):程序正常完成、或者线程抛出一个未捕获的 Exception 货或 Error。或者调用线程的中断方法。

不要试图对一个已经死亡的线程调用 start() 方法让它重新启动,死亡就是死亡了,该线程不可再次作为线程执行。

线程状态转换如下图所示:

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新建、可运行状态

当使用 new 关键字创建一个线程后,仅仅由Java虚拟机为其分配内存,并初始化其成员变量的值。此时的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。

当线程对象调用了start()方法之后,该线程处于就绪状态。Java 虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器,处于这个状态中的线程并没有开始运行,只是表示该线程可以运行了。至于该线程何时开始运行,取决于 JVM 里线程调度器的调度。

注意:启动线程使用 start() 方法,而不是 run() 方法。调用 start()方法启动线程,系统会把该 run方法当成方法执行体处理。需要切记的是:调用了线程的 run()方法之后,该线程就不在处于新建状态,不要再次调用 start()方法,只能对新建状态的线程调用start()方法,否则会引发 IllegaIThreadStateExccption异常。

1. RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换

线程等待 synchronized 的隐式锁,synchronized 修饰的方法、代码块同一时刻只允许一个线程执行,其他线程只能等待,一个茅坑多个人想拉屎,只允许一个人在里面其他人只能在门外等着。这时候 等待的线程就会从 RUNNABLE 转换到 BLOCKED 状态。当某个等待的线程获得 synchronized 隐式锁时,就会从 BLOCKED 转换到 RUNNABLE 状态。因为拿到去茅坑的小票了。

2.RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换

一共有三种场景触发这种状态转换。

  • 获得 synchronized 锁的线程调用 Object.wait()方法。会释放锁,并且放弃 CPU 分片调度。
  • 调用 Thread.join()方法。假如一个线程对象 thread A, 调用 A.join(),执行这条语句的线程会等待 thread A 执行完,而作为等待的这个线程就会从 运行中变成 WAITING。比如主线程等待 thread A执行完成,那么主线程就会变成等待状态。
  • 调用 LockSupport.park()方法。Java 并发包的锁都是基于此实现,调用 LockSupport.park()方法,释放锁。当前线程会阻塞,线程的状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。调用 LockSupport.unpark(Thread thread)可唤醒目标线程,目标线程竞争到锁后状态又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。

3.RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换

触发场景如下所示:

  • 调用带超时参数的 Thread.sleep(long millis),并不会释放锁。
  • 获得 synchronized 隐式锁的线程,调用带超时参数Object.wait(long timeout) 方法;会释放锁。
  • 调用带超时参数Thread.join(long millis)方法;
  • 调用带超时参数LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline)方法;会释放锁。
  • 调用带超时参数LockSupport.parkUntil(long deadline)方法。会释放锁。

其实更多的都是多了超时参数。

4.从运行中到终止状态

线程执行完run()方法后,会自动转换到 终止状态,但是当运行 run()方法异常的时候,也会导致线程终止,有时候我们需要中断 run()方法的执行,比如有的人占着茅坑很久不拉屎,我们要轰出去,后面的人等不了了,快憋死了。在 Java 中 Thread 类里面倒是有个 stop()方法,不过已经标记为 @Deprecated,所以不建议使用了。正确的姿势其实是调用 interrupt()方法。

那 stop() 和 interrupt() 方法的主要区别是什么呢?

stop() 方法会真的杀死线程,不给线程喘息的机会,如果线程持有 synchronized 隐式锁,也不会释放,那其他线程就再也没机会获得 synchronized 隐式锁,这实在是太危险了。所以该方法就不建议使用了,类似的方法还有 suspend() 和 resume() 方法,这两个方法同样也都不建议使用了,所以这里也就不多介绍了。

而 interrupt() 方法就温柔多了,interrupt() 方法仅仅是通知线程,线程有机会执行一些后续操作,同时也可以无视这个通知。被 interrupt 的线程,是怎么收到通知的呢?一种是异常,另一种是主动检测。

总结

理解 Java 线程的各种状态以及生命周期对于诊断多线程 Bug 非常有帮助,多线程程序很难调试,出了 Bug 基本上都是靠日志,靠线程 dump 来跟踪问题,分析线程 dump 的一个基本功就是分析线程状态,大部分的死锁、饥饿、活锁问题都需要跟踪分析线程的状态。同时,本文介绍的线程生命周期具备很强的通用性,对于学习其他语言的多线程编程也有很大的帮助。

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本文分享自微信公众号 - MageByte(MageByte),作者:JavaStorm

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原始发表时间:2019-08-02

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