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【Java并发基础】Java线程的生命周期

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前言

线程是操作系统中的一个概念，支持多线程的语言都是对OS中的线程进行了封装。要学好线程，就要搞清除它的生命周期，也就是生命周期各个节点的状态转换机制。不同的开发语言对操作系统中的线程进行了不同的封装，但是对于线程的声明周期这部分基本是相同的。下面先介绍通用的线程生命周期模型，然后详细介绍Java中的线程生命周期以及Java生命周期中各个状态是如何转换的。

通用的线程生命周期

上图为通用线程状态转换图（五态模型）。

  1. 初始状态

    线程被创建，但是还不允许分配CPU执行。这里的创建仅仅是指在编程语言层面被创建；在OS层面还没有被创建。

  2. 可运行状态

    线程可以分配CPU执行。在这种状态下，真正的OS线程已经被成功创建，所以可以分配CPU执行。

  3. 运行状态

    当有空闲的CPU时，OS就会将空闲CPU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。

  4. 休眠状态

    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到休眠状态，此时会释放CPU使用权，休眠状态的线程永远没有机会获得CPU的使用权。当等待的事件出现了（线程被唤醒），线程就会从休眠状态转到可运行状态。

  5. 终止状态

    程序执行完成或者出现异常就会进入此状态。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。

以上五种状态在不同的编程语言中会简化合并（C中POSIX Thread规范将初始状态和可运行状态合并）或者细化（Java中细化了休眠状态）。Java中将可运行状态和运行状态合并了，Java虚拟机不关心这两个状态，把线程的调度交给了操作系统。

Java线程的生命周期

Java语言的线程共有六种状态：New（初始化状态）、RUNNABLE（可运行状态/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）。

在操作系统层面，Java线程中的 BLOCKED、 WAITING 、TIMED_WAITING都是休眠状态。只要Java处于这三种状态之一，那么这个线程就永远没有CPU使用权。

下面是Java线程的状态转换图：

这六种状态之间的转换，注意箭头的方向，哪些状态是可以互转的哪些是不可以互转。

RUNNABLE ——> BLOCKED

只有一种场景会触发这种转换，即线程等待synchronized内置锁。synchronized关键修饰的方法、代码块同一时刻只允许一个线程执行，其他未能执行的线程则等待。这种情况下，等待的线程就会从RUNNABLE转换到 BLOCKED状态。当等待的线程获得内置锁时，就会从BLOCKED转换到RUNNABLE状态。

线程调用阻塞式API时，在操作系统层面线程是会转到休眠状态，但是在Java虚拟机层面，Java线程的状态是不会发生变化的，会保持RUNNABLE状态。Java虚拟机层面并不关心操作系统相关调度状态，在它眼里，等待CPU使用权（OS层面处于可执行状态）和等待I/O（OS层面处于休眠状态）没有区别，都是在等待某个资源，所以都归入了RUNNABLE状态。
所以，平时说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 ——> WAITING

有三种场景会触发这种转换：

  1. 获取synchronized内置锁的线程，调用无参数的Object.wait()方法。

    当前线程调用wait()方法会将自己阻塞，状态就从从RUNNABLE转到WAITING状态。使用同一内置锁的其他线程可调用notifyAll()唤醒阻塞在该锁上的所有线程，此时被阻塞的线程状态就会从WAITING转到RUNNABLE状态。

  2. 调用Thread.join()方法。

    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，而等待的这个线程，其状态就会就会从RUNNABLE转到WAITING状态。当thread A执行完，原来的这个等待线程就会从WAITING状态转到RUNNABLE状态。

  3. 调用LockSupport.park()方法。

    Java并发包中的锁都是基于LockSupport对象实现的。调用LockSupport.park()的当前线程会被阻塞，线程的状态会从RUNNABLE转到WAITING状态。调用LockSupport.unpark(Thread t)可唤醒被阻塞的目标线程，目标线程的状态就会从WAITING转到RUNNABLE状态。

RUNNABLE ——> TIMED_WAITING

以下场景将会触发这个状态转变：

  1. 调用带超时参数的Thread.sleep(long millis)方法。
  2. 获得 synchronized 内置锁的线程，调用带超时参数的 Object.wait(long timeout)方法；
  3. 调用带超时参数的 Thread.join(long millis)方法；
  4. 调用带超时参数的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline)方法；
  5. 调用带超时参数的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法。

较与WAITING状态触发条件多了超时参数。

NEW ——> RUNNALE，创建线程的两种方式

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。

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

二是实现Runnable接口，重写run()方法，并将该实现类作为Thread对象的参数。

// 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状态的线程是不会被操作系统调度的，因此不会执行。Java线程要执行，就必须转换到RUNNABLE状态。那么如何转到RUNNABLE状态呢？那就需要线程启动，即调用线程的start()方法。

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

RUNNABLE——> TERMINATED

线程执行完 run()方法后，会自动转换到 TERMINATED 状态。
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，可以发现Java 的 Thread 类里面倒是有个 stop()方法，但是该方法被标记为 @Deprecated，已经被弃用了。所以，正确的方式是调用 interrupt() 方法。

stop()方法和interrupt()方法的主要区别：

stop()方法会直接杀死线程。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，那其他线程将再也没机会获得 ReentrantLock 锁。这将会导致非常糟糕的结果。所以该方法已经被废弃。

而 interrupt() 方法就比较温柔，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。

线程是如何收到interrupt通知呢？有两种方式，一种是异常，一种是主动检测。

异常获取通知：

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，同时线程 A 的代码会触发 InterruptedException异常。
上面介绍状态转换时， WAITING、TIMED_WAITING 状态的触发条件，都是调用了 wait()、join()、sleep() 这样的方法。 我们看这些方法的签名，会发现它们都会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。（这种方式我还没有使用过暂时还不太明白，先写将这种触发方式写在这里）

主动检测获取通知

如果线程处于 RUNNABLE 状态，并且没有阻塞在某个 I/O 操作上，这时就得依赖线程 A 主动检测中断状态。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。

小结

线程的生命周期以及各个状态的转换要好好掌握，这对于调试bug还是很有用的。

参考：
[1]极客时间专栏王宝令《Java并发编程实战》

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