Java 源码刨析 - 线程的状态有哪些？它是如何工作的？

线程（Thread）是并发编程的基础，也是程序执行的最小单元，它依托进程而存在。

一个进程中可以包含多个线程，多线程可以共享一块内存空间和一组系统资源，因此线程之间的切换更加节省资源、更加轻量化，也因此被称为轻量级的进程。

线程的状态在 JDK 1.5 之后以枚举的方式被定义在 Thread 的源码中，它总共包含以下 6 个状态：

NEW，新建状态，线程被创建出来，但尚未启动时的线程状态；

RUNNABLE，就绪状态，表示可以运行的线程状态，它可能正在运行，或者是在排队等待操作系统给它分配 CPU 资源；

BLOCKED，阻塞等待锁的线程状态，表示处于阻塞状态的线程正在等待监视器锁，比如等待执行 synchronized 代码块或者使用 synchronized 标记的方法；

WAITING，等待状态，一个处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行某个特定的动作，比如，一个线程调用了 Object.wait() 方法，那它就在等待另一个线程调用 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 方法；

TIMED_WAITING，计时等待状态，和等待状态（WAITING）类似，它只是多了超时时间，比如调用了有超时时间设置的方法 Object.wait(long timeout) 和 Thread.join(long timeout) 等这些方法时，它才会进入此状态；

TERMINATED，终止状态，表示线程已经执行完成。

线程状态的源代码如下：

public enum State {

/**

* 新建状态，线程被创建出来，但尚未启动时的线程状态

*/

NEW,

/**

* 就绪状态，表示可以运行的线程状态，但它在排队等待来自操作系统的 CPU 资源

*/

RUNNABLE,

/**

* 阻塞等待锁的线程状态，表示正在处于阻塞状态的线程

* 正在等待监视器锁，比如等待执行 synchronized 代码块或者

* 使用 synchronized 标记的方法

*/

BLOCKED,

/**

* 等待状态，一个处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行某个特定的动作。

* 例如，一个线程调用了 Object.wait() 它在等待另一个线程调用

* Object.notify() 或 Object.notifyAll()

*/

WAITING,

/**

* 计时等待状态，和等待状态 (WAITING) 类似，只是多了超时时间，比如

* 调用了有超时时间设置的方法 Object.wait(long timeout) 和

* Thread.join(long timeout) 就会进入此状态

*/

TIMED_WAITING,

/**

* 终止状态，表示线程已经执行完成

*/

}

线程的工作模式是，首先先要创建线程并指定线程需要执行的业务方法，然后再调用线程的 start() 方法，此时线程就从 NEW（新建）状态变成了 RUNNABLE（就绪）状态；

然后线程会判断要执行的方法中有没有 synchronized 同步代码块，如果有并且其他线程也在使用此锁，那么线程就会变为 BLOCKED（阻塞等待）状态，当其他线程使用完此锁之后，线程会继续执行剩余的方法。

当遇到 Object.wait() 或 Thread.join() 方法时，线程会变为 WAITING（等待状态）状态；

如果是带了超时时间的等待方法，那么线程会进入 TIMED_WAITING（计时等待）状态；

当有其他线程执行了 notify() 或 notifyAll() 方法之后，线程被唤醒继续执行剩余的业务方法，直到方法执行完成为止，此时整个线程的流程就执行完了，执行流程如下图所示：

【BLOCKED 和 WAITING 的区别】

虽然 BLOCKED 和 WAITING 都有等待的含义，但二者有着本质的区别。

首先它们状态形成的调用方法不同。

其次 BLOCKED 可以理解为当前线程还处于活跃状态，只是在阻塞等待其他线程使用完某个锁资源；

而 WAITING 则是因为自身调用了 Object.wait() 或着是 Thread.join() 又或者是 LockSupport.park() 而进入等待状态，只能等待其他线程执行某个特定的动作才能被继续唤醒。

比如当线程因为调用了 Object.wait() 而进入 WAITING 状态之后，则需要等待另一个线程执行 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 才能被唤醒。

【start() 和 run() 的区别】

首先从 Thread 源码来看，start() 方法属于 Thread 自身的方法，并且使用了 synchronized 来保证线程安全，源码如下：

public synchronized void start() {

// 状态验证，不等于 NEW 的状态会抛出异常

if (threadStatus != 0)

throw new IllegalThreadStateException();

// 通知线程组，此线程即将启动

group.add(this);

boolean started = false;

try {

start0();

started = true;

} finally {

try {

if (!started) {

group.threadStartFailed(this);

}

} catch (Throwable ignore) {

// 不处理任何异常，如果 start0 抛出异常，则它将被传递到调用堆栈上

}

}

}

run() 方法为 Runnable 的抽象方法，必须由调用类重写此方法，重写的 run() 方法其实就是此线程要执行的业务方法，源码如下：

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();

}

从执行的效果来说，start() 方法可以开启多线程，让线程从 NEW 状态转换成 RUNNABLE 状态，而 run() 方法只是一个普通的方法。

其次，它们可调用的次数不同，start() 方法不能被多次调用，否则会抛出 java.lang.IllegalStateException；而 run() 方法可以进行多次调用，因为它只是一个普通的方法而已。

【线程优先级】

在 Thread 源码中和线程优先级相关的属性有 3 个：

// 线程可以拥有的最小优先级

public final static int MIN_PRIORITY = 1;

// 线程默认优先级

public final static int NORM_PRIORITY = 5;

// 线程可以拥有的最大优先级

public final static int MAX_PRIORITY = 10

线程的优先级可以理解为线程抢占 CPU 时间片的概率，优先级越高的线程优先执行的概率就越大，但并不能保证优先级高的线程一定先执行。

在程序中我们可以通过 Thread.setPriority() 来设置优先级，setPriority() 源码如下：

public final void setPriority(int newPriority) {

ThreadGroup g;

checkAccess();

// 先验证优先级的合理性

if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) {

throw new IllegalArgumentException();

}

if((g = getThreadGroup()) != null) {

// 优先级如果超过线程组的最高优先级，则把优先级设置为线程组的最高优先级

if (newPriority > g.getMaxPriority()) {

newPriority = g.getMaxPriority();

}

setPriority0(priority = newPriority);

}

}

【线程的常用方法】

线程的常用方法有以下几个。

join()

在一个线程中调用 other.join() ，这时候当前线程会让出执行权给 other 线程，直到 other 线程执行完或者过了超时时间之后再继续执行当前线程，join() 源码如下：

public final synchronized void join(long millis)

throws InterruptedException {

long base = System.currentTimeMillis();

long now = 0;

// 超时时间不能小于 0

if (millis < 0) {

throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");

}

// 等于 0 表示无限等待，直到线程执行完为之

if (millis == 0) {

// 判断子线程 (其他线程) 为活跃线程，则一直等待

while (isAlive()) {

wait(0);

}

} else {

// 循环判断

while (isAlive()) {

long delay = millis - now;

if (delay <= 0) {

break;

}

wait(delay);

now = System.currentTimeMillis() - base;

}

}

}

从源码中可以看出 join() 方法底层还是通过 wait() 方法来实现的。

例如，在未使用 join() 时，代码如下：

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("子线程睡眠：" + i + "秒。");

}

});

thread.start(); // 开启线程

// 主线程执行

for (int i = 1; i < 4; i++) {

try {

Thread.sleep(1000);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println("主线程睡眠：" + i + "秒。");

}

}

}

程序执行结果为：

复制主线程睡眠：1秒。

子线程睡眠：1秒。

主线程睡眠：2秒。

子线程睡眠：2秒。

主线程睡眠：3秒。

子线程睡眠：3秒。

子线程睡眠：4秒。

子线程睡眠：5秒。

从结果可以看出，在未使用 join() 时主子线程会交替执行。

然后我们再把 join() 方法加入到代码中，代码如下：

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("子线程睡眠：" + i + "秒。");

}

});

thread.start(); // 开启线程

thread.join(2000); // 等待子线程先执行 2 秒钟

// 主线程执行

for (int i = 1; i < 4; i++) {

try {

Thread.sleep(1000);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println("主线程睡眠：" + i + "秒。");

}

}

}

程序执行结果为：

复制子线程睡眠：1秒。

子线程睡眠：2秒。

主线程睡眠：1秒。

// thread.join(2000); 等待 2 秒之后，主线程和子线程再交替执行

子线程睡眠：3秒。

主线程睡眠：2秒。

子线程睡眠：4秒。

子线程睡眠：5秒。

主线程睡眠：3秒。

从执行结果可以看出，添加 join() 方法之后，主线程会先等子线程执行 2 秒之后才继续执行。

yield()

看 Thread 的源码可以知道 yield() 为本地方法，也就是说 yield() 是由 C 或 C++ 实现的，源码如下：

public static native void yield();

yield() 方法表示给线程调度器一个当前线程愿意出让 CPU 使用权的暗示，但是线程调度器可能会忽略这个暗示。

比如我们执行这段包含了 yield() 方法的代码，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("线程：" +

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();

}

当我们把这段代码执行多次之后会发现，每次执行的结果都不相同，这是因为 yield() 执行非常不稳定，线程调度器不一定会采纳 yield() 出让 CPU 使用权的建议，从而导致了这样的结果。