【多线程】线程的状态

你的名字 2024-03-26 12:00 83阅读 0赞

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## 1. 等待一个线程 join ##

有一天张三与小美在家里吃饭，张三早早的把饭吃完了，对小美说，等你把饭吃完了，我就去洗碗了！

此时张三就要等待小美吃完饭才能去洗碗，就好比线程 A 要等待线程 B 执行完，线程 A 才能接着往后干活！

**等待线程，就是控制两个线程的结束顺序，使用 join 方法。**

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("小美吃饭中!");
            try {
                Thread.sleep(10_000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("小美吃完饭了!");
        });
        t.start();
        System.out.println("张三吃完饭了!");
        t.join(); // main 线程等待 t 线程执行完毕
        System.out.println("张三去洗碗了!");

这里当 t.start() 之后，t 和 main 线程就开始并发执行了，当 main 线程执行到 t.join() 表示 main 线程得等 t 线程执行完毕后，才能接着往后执行代码！只要 t 线程没有执行完毕，main 线程就会发生阻塞，一直阻塞到 t 线程执行完毕，也就是执行完对应的 run 方法！

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像上述代码是可以等到 t 线程执行完毕了，如果 t 线程执行的任务里面出现了死循环怎么办呢？此时 main 线程是不是也得无休止的等待了？确实是这样的，但是 join 给我们提供了一个带参数的方法，等指定的时间，到点就不等了！

比如小美吃饭的速度特别慢，张三说，我就等你 5 秒钟，5 秒之后你还没吃完，我就自己洗碗了去了！

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("小美吃饭中!");
            try {
                Thread.sleep(10_000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("小美吃完饭了!");
        });
        t.start();
        System.out.println("张三吃完饭了!");
        t.join(5000); // 只等待5秒
        System.out.println("张三去洗碗了!");
    }

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此时就能发现，小美没有吃完饭，但是张三还是去洗碗了，为什么呢？

因为 main 线程只等了 t 线程 5秒，但是 t 线程执行的 run 方法，可不止 5秒，里面还 sleep 了10秒钟，相当于小美还需要 10秒 才能吃完饭呢！

由此可见，这次张三肯定不会等小美吃完饭之后才去洗碗，就如同上面的打印结果一般。

**此时还有一种情况，会不会小美比张三先吃完饭呢？**

有可能！比如 main 线程执行 t.join() 的时候，但是 t 线程的 run 方法已经执行完了，此时 join 就不会阻塞了，就会立即返回！

同时 join 还提供了两个参数的版本：**public void join(long millis, int nanos)** 这个可以更高精度的等待，这里就不多说了。

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## 2. 休眠当前线程 ##

这个方法在前面也使用过，这里就来更细入的介绍一下。

让线程休眠，本质上就是让这个线程不参与调度了(不去 CPU 上执行了)。

通过调用 Thread 类中的 sleep 静态方法，传入指定时间，就能令线程休眠了。

**注意：哪个线程里调用 Thread.sleep(1000)，就让哪个线程休眠 1000 毫秒！**

回顾一下上面讲过的知识，如果 main 线程中调用 t.join()，表示 main 线程要等待 t 线程结束，并且 main 线程进入阻塞状态。

而现在所讲的 sleep 方法，本质上是让线程休眠，也是进入了阻塞状态！

**如何阻塞？这里需要了解两个玩意，就绪队列，阻塞队列。**

当线程 A 调用 sleep() 方法，就会进入一个阻塞队列，当 sleep 结束，就会进入到就绪队列中。

**阻塞队列里的线程，也就是暂时不参与 CPU 的调度了，就绪队列中的线程，随时可以被 CPU 调度！**

所以一旦线程进入阻塞状态，对应的 PCB 就进入阻塞队列了， 因此暂时不能被 CPU 调度了，那如果线程阻塞结束，对应 PCB 进入到就绪队列，就一定会立即被 CPU 调度到吗？不一定！

**这里一定要明确，CPU 是随机调度的！**

这里来看一段代码：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (true) {
                System.out.println("hello");
            }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("main 继续执行");
    }

这里 t 线程死循环打印 "hello"，而 main 线程中休眠了 5000ms，那么一定刚好休眠 5000ms 后就打印 "main 线程继续执行" 吗？

不一定！此时虽然是 sleep(5000)，但实际上考虑到调度的开销，对应线程是无法在唤醒之后就立即执行的，所以实际上的时间大概率要大于 5000ms。

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## 3. 线程的状态 ##

### 3.1 认识线程的六种状态 ###

线程的状态是一个枚举类型 Thread.State，一个线程从创建到销毁都有着不同的状态。

这里就看下这个 State 枚举类型里面包含的所有状态：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (Thread.State s : Thread.State.values()) {
            System.out.println(s);
        }
    }

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● **NEW 状态：**创建了 Thread 对象，但是还没有调用 start 方法(内核中还没创建 PCB)

● **TERMINATED：**表示内核中的 PCB 已经执行完毕了(run执行完了)，但是 Thread 对象还在

● **RUNNABLE：**就绪状态，细分 **1) 等待被 CPU 调度**，**2) 正在 CPU 上执行**，但在 Java 中，没有 运行时状态，都是 RUNNABLE(就绪) 状态

● **WAITING：**调用 wait 或 join 时进入的状态，后面介绍

● **TIMED\_WAITING**：调用 sleep 进入的状态

● **BLOCKED：**等待锁时产生的状态

**最后这三个状态都是阻塞状态，都表示线程的 PCB 在阻塞队列中，只是为啥阻塞的原因不同而已，这些在后续内容中会详细展开介绍。**

### 3.2 线程的状态转换 ###

从这一节开始就提到过，一个线程从创建到销毁都有着不同的状态，下面就用一张简图和多段代码来理解线程工作中不同状态的转换。

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下面就来看几段代码，通过代码来观察下线程的状态：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10_0000; i++) {
    
            }
        });
        System.out.println("start 之前: " + t.getState());
        t.start();
        System.out.println("线程执行中的状态 : " + t.getState());
        Thread.sleep(10);
        System.out.println("线程结束后的状态 : " + t.getState());
    }

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当线程进入 TERMINATED 状态后，对应的 PCB 也就销毁了，也就无法再重新启动线程了，否则会抛异常，但是线程对应的对象 t 并没有被释放，我们仍然可以调用这个对象的一些方法属性，但是无法通过多线程来做一些事情了！

**通过代码查看线程调用 sleep 进入 TIMED\_WAITING 状态**：

public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t.start();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("t 的状态: " + t.getState());
        }
    }

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这里发现大量打印 TIMED\_WAITING 状态是因为线程执行的 sleep(1) 休眠时间太长了(站在 CPU 的视角)，CPU 1 毫秒可以做很多事，对于执行线程中的 for 循环来说，只会转瞬即逝，所以该线程大部分时间都在休眠，真正在 CPU 上执行的时间特别少，所以也就出现 TIMED\_WAITING 状态比 RUNNABLE 多特别多！

目前只演示这四个状态，剩下的 WAITING，BLOCKED 等后续学习到了，会进行讲解。

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## 4. 多线程的优势 ##

前面讲了那么多多线程的理论知识，还很少写过代码，那么现在我们就来通过一小段代码来一下多线程的优势在哪。

**● 现有两个变量 a，b 用两个循环对这两个变量分别自增 100 亿次：**

**单线程实现：**

public static void main(String[] args) {
        long a = 0;
        long b = 0;
        long begin = System.currentTimeMillis(); //开始时间
        for (long i = 0; i < 100_00000000L; i++) {
            a++;
        }
        for (long i = 0; i < 100_00000000L; i++) {
            b++;
        }
        long end = System.currentTimeMillis(); //结束时间
        System.out.println(end - begin + " ms");
    }
    // 打印结果：5097 ms

**多线程实现：**

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long begin = System.currentTimeMillis(); //开始时间
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            int a = 0;
            for (long i = 0; i < 100_00000000L; i++) {
                a++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            int b = 0;
            for (long i = 0; i < 100_00000000L; i++) {
                b++;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        long end = System.currentTimeMillis(); //结束时间
        System.out.println(end - begin + " ms");
    }
    // 打印结果：2817 ms

上述两种实现方式，在不同配置的电脑上，执行的时间都不一样，但多线程肯定是比单线程要快的，但这里有个疑问，为啥多线程消耗的时间不是单线程消耗时间的一半呢？

**按道理来说，如果单线程跑两个循环需要 5000ms，那用两个线程一个线程跑一个循环，不应该是 2500ms 吗？**

> 实际上，t1 和 t2 在执行过程中，会经历很多次调度，有时候是并发执行的(两个线程在一个核心上快速切换)，有时候是并行执行的(两个线程在不同的核心上执行)，至于什么时候是并发，什么时候是并行？这些都是不确定的，取决于系统的配置，也取决于当前程序运行的环境，如果同一时刻你电脑上跑的程序很多，此时并行的概率就更小了。另外线程的调度也是有开销了，所以上述多线程版本执行时间肯定不会比单线程版本缩短 50%。

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通过上述案例，不难发现在这种 CPU 密集型的任务中，多线程有着非常大的作用，可以充分利用 CPU 多核资源，从而加快程序的执行效率。

**多线程一定能提高效率吗？**

其实也不一定，如果电脑配置特别特别低，CPU 只有双核，其实也提高不了多少。

如果当前电脑跑了特别多程序，CPU 核心都满载了，这个时候启动更多的线程也没啥用。

学习到现在，看似多线程很美好，但殊不知有一个很大的危险正在向我们靠近，这也是多线程编程中让程序猿苦恼的事情，同时也是面试官经常问的问题 —— 线程安全！

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**下期预告：【多线程】线程安全问题**

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