并发——线程生命周期

小灰灰 2022-10-31 13:37 5阅读 0赞

# 线程数量 #

**对于CPU密集型的计算场景，理论上“线程的数量=CPU核数”就是最合适的**。不过在工程上，**线程的数量一般会设置为“CPU核数+1”**，这样的话，当线程因为偶尔的内存页失效或其他原因导致阻塞时，这个额外的线程可以顶上，从而保证CPU的利用率。

对于I/O密集型计算场景，最佳的线程数是与程序中CPU计算和I/O操作的耗时比相关的，我们可以总结出这样一个公式：

> 最佳线程数=1 +（I/O耗时 / CPU耗时）

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我们令R=I/O耗时 / CPU耗时，综合上图，可以这样理解：当线程A执行IO操作时，另外R个线程正好执行完各自的CPU计算。这样CPU的利用率就达到了100%。

不过上面这个公式是针对单核CPU的，至于多核CPU，也很简单，只需要等比扩大就可以了，计算公式如下：

> 最佳线程数=CPU核数 \* \[ 1 +（I/O耗时 / CPU耗时）\]

# 线程生命周期 #

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1.  **初始状态**，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。
2.  **可运行状态**，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。
3.  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**。
4.  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。
5.  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。

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语言中线程共有六种状态，分别是：

1.  NEW（初始化状态）
2.  RUNNABLE（可运行/运行状态）
3.  BLOCKED（阻塞状态）
4.  WAITING（无时限等待）
5.  TIMED\_WAITING（有时限等待）
6.  TERMINATED（终止状态）

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### 1. 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。

### 2. RUNNABLE与WAITING的状态转换 ###

总体来说，有三种场景会触发这种转换。

第一种场景，获得synchronized隐式锁的线程，调用无参数的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。

第二种场景，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。

第三种场景，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。

### 3. RUNNABLE与TIMED\_WAITING的状态转换 ###

有五种场景会触发这种转换：

1.  调用**带超时参数**的Thread.sleep(long millis)方法；
2.  获得synchronized隐式锁的线程，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。

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**。

**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。

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。

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