【面试题】线程的状态有哪些？它是如何工作的？

古城微笑少年丶 2023-03-13 02:26 8阅读 0赞

## 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。

### 典型回答 ###

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，此时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：

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### 考点分析 ###

线程一般会作为并发编程的起始问题，用于引出更多的关于并发编程的面试问题。当然对于线程的掌握程度也决定了你对并发编程的掌握程度，通常面试官还会问：

*  BLOCKED（阻塞等待）和 WAITING（等待）有什么区别？
 *  start() 方法和 run() 方法有什么区别？
 *  线程的优先级有什么用？该如何设置？
 *  线程的常用方法有哪些？

### 知识扩展 ###

#### 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);
        }
    }

#### 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：

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：

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。

#### 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。

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