Java线程的生命周期

前言

​ 在 Java 领域,实现并发程序的主要手段就是多线程。线程是操作系统里的一个概念,虽然各种不同的开发语言如 Java、C# 等都对其进行了封装,但是万变不离操作系统。Java 语言里的线程本质上就是操作系统的线程,它们是一一对应的。

​ 在操作系统层面,线程也有“生老病死”,专业的说法叫有生命周期。对于有生命周期的事物,要学好它,思路非常简单,只要能搞懂生命周期中各个节点的状态转换机制就可以了。

​ 虽然不同的开发语言对于操作系统线程进行了不同的封装,但是对于线程的生命周期这部分,基本上是雷同的。所以,我们可以先来了解一下通用的线程生命周期模型,这部分内容也适用于很多其他编程语言;然后再详细有针对性地学习一下 Java 中线程的生命周期。

通用的线程生命周期

​ 通用的线程生命周期基本上可以用下图这个“五态模型”来描述。这五态分别是:初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态

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这“五态模型”的详细情况如下所示。

初始态:指的是线程已经被创建,但是还不允许分配 CPU 执行。这个状态属于编程语言特有的,不过这里所谓的被创建,仅仅是在编程语言层面被创建,而在操作系统层面,真正的线程还没有创建。
可运行态: 指的是线程可以分配 CPU 执行。在这种状态下,真正的操作系统线程已经被成功创建了,所以可以分配 CPU 执行。
运行态:当有空闲的 CPU 时,操作系统会将其分配给一个处于可运行状态的线程,被分配到 CPU 的线程的状态就转换成了运行状态。
休眠态:运行状态的线程如果调用一个阻塞的 API(例如以阻塞方式读文件)或者等待某个事件(例如条件变量),那么线程的状态就会转换到休眠状态,同时释放 CPU 使用权,休眠状态的线程永远没有机会获得 CPU 使用权。当等待的事件出现了,线程就会从休眠状态转换到可运行状态。
终止态:线程执行完或者出现异常就会进入终止状态,终止状态的线程不会切换到其他任何状态,进入终止状态也就意味着线程的生命周期结束了。
这五种状态在不同编程语言里会有简化合并。例如,C 语言的 POSIX Threads 规范,就把初始状态和可运行状态合并了;Java 语言里则把
可运行状态和运行状态
合并了,这两个状态在操作系统调度层面有用,而 JVM 层面不关心这两个状态,因为 JVM 把线程调度交给操作系统处理了。

Java 中线程的生命周期

​ 介绍完通用的线程生命周期模型,想必你已经对线程的“生老病死”有了一个大致的了解。那接下来我们就来详细看看 Java 语言里的线程生命周期是什么样的。

Java 语言中线程共有六种状态,分别是:

NEW(初始化状态)
RUNNABLE(可运行 / 运行状态)
BLOCKED(阻塞状态)
WAITING(无时限等待)
TIMED_WAITING(有时限等待)
TERMINATED(终止状态)

​ 这看上去挺复杂的,状态类型也比较多。但其实在操作系统层面,Java 线程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一种状态,即前面我们提到的休眠状态。也就是说只要 Java 线程处于这三种状态之一,那么这个线程就永远没有 CPU 的使用权。所以 Java 线程的生命周期可以简化为下图:

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​ 其中,BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 可以理解为线程导致休眠状态的三种原因。那具体是哪些情形会导致线程从 RUNNABLE 状态转换到这三种状态呢?而这三种状态又是何时转换回 RUNNABLE 的呢?以及 NEW、TERMINATED 和 RUNNABLE 状态是如何转换的?

JAVA中线程状态转换

RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换

​ 只有一种场景会触发这种转换,就是线程等待 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,这种情况下,等待的线程就会从 RUNNABLE 转换到 BLOCKED 状态。而当等待的线程获得 synchronized 隐式锁时,就又会从 BLOCKED 转换到 RUNNABLE 状态。如果你熟悉操作系统线程的生命周期的话,可能会有个疑问:线程调用阻塞式 API 时,是否会转换到 BLOCKED 状态呢?

​ 在操作系统层面,线程是会转换到休眠状态的,但是在 JVM 层面,Java 线程的状态不会发生变化,也就是说 Java 线程的状态会依然保持 RUNNABLE 状态。JVM 层面并不关心操作系统调度相关的状态,因为在 JVM 看来,等待 CPU 使用权(操作系统层面此时处于可执行状态)与等待 I/O(操作系统层面此时处于休眠状态)没有区别,都是在等待某个资源,所以都归入了 RUNNABLE 状态。而我们平时所谓的 Java 在调用阻塞式 API 时,线程会阻塞,指的是操作系统线程的状态,并不是 Java 线程的状态。

RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换

总体来说,有三种场景会触发这种转换。

  1. 获得 synchronized 隐式锁的线程调用了无参数的 Object.wait() 方法。其中,wait() 方法我们在上一篇讲解管程的时候已经深入介绍过了,这里就不再赘述。
  2. 调用无参数的 Thread.join() 方法。其中的 join() 是一种线程同步方法,例如有一个线程对象 thread A,当调用 A.join() 的时候,执行这条语句的线程会等待 thread A 执行完,而等待中的这个线程,其状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。当线程 thread A 执行完,原来等待它的线程又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。
  3. 调用 LockSupport.park() 方法。其中的 LockSupport 对象,也许你有点陌生,其实 Java 并发包中的锁,都是基于它实现的。调用 LockSupport.park() 方法,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,目标线程的状态又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。

RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换

有五种场景会触发这种转换:

  • 调用带超时参数的 Thread.sleep(long millis) 方法;
  • 获得 synchronized 隐式锁的线程,调用带超时参数的 Object.wait(long timeout) 方法;
  • 调用带超时参数的 Thread.join(long millis) 方法;
  • 调用带超时参数的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline) 方法;
  • 调用带超时参数的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法。
  • 这里你会发现 TIMED_WAITING 和 WAITING 状态的区别,仅仅是触发条件多了超时参数。

从 NEW 到 RUNNABLE 状态

​ Java 刚创建出来的 Thread 对象就是 NEW 状态,而创建 Thread 对象主要有两种方法。一种是继承 Thread 对象,重写 run() 方法。示例代码如下:

// 自定义线程对象
class MyThread extends Thread {
  public void run() {
    // 线程需要执行的代码
    ......
  }
}
// 创建线程对象
MyThread myThread = new MyThread();

另一种是实现 Runnable 接口,重写 run() 方法,并将该实现类作为创建 Thread 对象的参数。示例代码如下:

// 实现 Runnable 接口
class Runner implements Runnable {
@Override
public void run() {
// 线程需要执行的代码
......
}
}
// 创建线程对象
Thread thread = new Thread(new Runner());

​ NEW 状态的线程,不会被操作系统调度,因此不会执行。Java 线程要执行,就必须转换到 RUNNABLE 状态。从 NEW 状态转换到 RUNNABLE 状态很简单,只要调用线程对象的 start() 方法就可以了,示例代码如下:

MyThread myThread = new MyThread();
// 从 NEW 状态转换到 RUNNABLE 状态
myThread.start();

从 RUNNABLE 到 TERMINATED 状态

​ 线程执行完 run() 方法后,会自动转换到 TERMINATED 状态,当然如果执行 run() 方法的时候异常抛出,也会导致线程终止。有时候我们需要强制中断 run() 方法的执行,例如 run() 方法访问一个很慢的网络,我们等不下去了,想终止怎么办呢?Java 的 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。

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 ReentrantLock 锁,被 stop() 的线程并不会自动调用 ReentrantLock 的 unlock() 去释放锁,那其他线程就再也没机会获得 ReentrantLock 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。

​ 只有当线程 A 处于 WAITING、TIMED_WAITING 状态时,如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法,会使线程 A 返回到 RUNNABLE 状态(中间可能存在BLOCKED状态),同时线程 A 的代码会触发 InterruptedException 异常。上面我们提到转换到 WAITING、TIMED_WAITING 状态的触发条件,都是调用了类似 wait()、join()、sleep() 这样的方法,我们看这些方法的签名,发现都会 throws InterruptedException 这个异常。这个异常的触发条件就是:其他线程调用了该线程的 interrupt() 方法。

​ 当线程 A 处于 RUNNABLE 状态时,并且阻塞在 java.nio.channels.InterruptibleChannel 上时,如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法,线程 A 会触发 java.nio.channels.ClosedByInterruptException 这个异常;而阻塞在 java.nio.channels.Selector 上时,如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法,线程 A 的 java.nio.channels.Selector 会立即返回。

​ 上面这两种情况属于被中断的线程通过异常的方式获得了通知。还有一种是主动检测,如果线程处于 RUNNABLE 状态,并且没有阻塞在某个 I/O 操作上,例如中断计算圆周率的线程 A,这时就得依赖线程 A 主动检测中断状态了。如果其他线程调用线程 A 的 interrupt() 方法,那么线程 A 可以通过 isInterrupted() 方法,检测是不是自己被中断了。

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。你可以通过 jstack命令或者Java VisualVM。这个可视化工具将 JVM 所有的线程栈信息导出来,完整的线程栈信息不仅包括线程的当前状态、调用栈,还包括了锁的信息。例如,我曾经写过一个死锁的程序,导出的线程栈明确告诉我发生了死锁,并且将死锁线程的调用栈信息清晰地显示出来了(如下图)。导出线程栈,分析线程状态是诊断并发问题的一个重要工具。

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posted @ 2019-06-02 13:23  被罚站的树  阅读(5162)  评论(0编辑  收藏  举报