并发编程专题(三)-线程的状态

1.线程状态

Java中，线程的状态使用一个枚举类型来描述的。这个枚举一共有6个值: NEW(新建)、RUNNABLE(运行)、BLOCKED(锁池)、TIMED_WAITING(定时等待)、WAITING(等待)、TERMINATED(终止、结束)。
但是大多数人的理解和上面的这六种还是有些差别，通常会加上阻塞状态，可运行状态，挂起状态。
在API中 java.lang.Thread.State 这个枚举中给出了六种线程状态,
这是Thread类描述线程状态的枚举类的源代码：

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public enum State {
        /**
         * Thread state for a thread which has not yet started.
         */
        NEW,

        /**
         * Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable
         * state is executing in the Java virtual machine but it may
         * be waiting for other resources from the operating system
         * such as processor.
         */
        RUNNABLE,

        /**
         * Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
         * A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
         * to enter a synchronized block/method or
         * reenter a synchronized block/method after calling
         * {@link Object#wait() Object.wait}.
         */
        BLOCKED,

        /**
         * Thread state for a waiting thread.
         * A thread is in the waiting state due to calling one of the
         * following methods:
         * 

         *   
{@link Object#wait() Object.wait} with no timeout
         *   
{@link #join() Thread.join} with no timeout
         *   
{@link LockSupport#park() LockSupport.park}
         * 
         *
         * 
A thread in the waiting state is waiting for another thread to
         * perform a particular action.
         *
         * For example, a thread that has called Object.wait()
         * on an object is waiting for another thread to call
         * Object.notify() or Object.notifyAll() on
         * that object. A thread that has called Thread.join()
         * is waiting for a specified thread to terminate.
         */
        WAITING,

        /**
         * Thread state for a waiting thread with a specified waiting time.
         * A thread is in the timed waiting state due to calling one of
         * the following methods with a specified positive waiting time:
         * 

         *   
{@link #sleep Thread.sleep}
         *   
{@link Object#wait(long) Object.wait} with timeout
         *   
{@link #join(long) Thread.join} with timeout
         *   
{@link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}
         *   
{@link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}
         * 
         */
        TIMED_WAITING,

        /**
         * Thread state for a terminated thread.
         * The thread has completed execution.
         */
        TERMINATED;
    }

2.大多数人对线程状态以及状态转换的理解

线程从创建、运行到结束总是处于下面五个状态之一：新建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态及死亡状态。
线程状态转换图：

2.1 新建状态

当用new操作符创建一个线程时， 例如new Thread(r)，线程还没有开始运行，此时线程处在新建状态。 当一个线程处于新生状态时，程序还没有开始运行线程中的代码。

2.2 就绪状态

一个新创建的线程并不自动开始运行，要执行线程，必须调用线程的start()方法。当线程对象调用start()方法即启动了线程，start()方法创建线程运行的系统资源，并调度线程运行run()方法。当start()方法返回后，线程就处于就绪状态。

处于就绪状态的线程并不一定立即运行run()方法，线程还必须同其他线程竞争CPU时间，只有获得CPU时间才可以运行线程。因为在单CPU的计算机系统中，不可能同时运行多个线程，一个时刻仅有一个线程处于运行状态。因此此时可能有多个线程处于就绪状态。对多个处于就绪状态的线程是由

Java运行时系统的线程调度程序(thread scheduler)来调度的。

2.3 运行状态

当线程获得CPU时间后，它才进入运行状态，真正开始执行run()方法.

2.4 阻塞状态

线程运行过程中，可能由于各种原因进入阻塞状态:

1. 线程通过调用sleep方法进入睡眠状态；
   2.线程调用一个在I/O上被阻塞的操作，即该操作在输入输出操作完成之前不会返回到它的调用者；
   3.线程试图得到一个锁，而该锁正被其他线程持有；
   4.线程在等待某个触发条件；

2.5 死亡状态

有两个原因会导致线程死亡：
1.run方法正常退出而自然死亡，

2. 一个未捕获的异常终止了run方法而使线程猝死。
   为了确定线程在当前是否存活着（就是要么是可运行的，要么是被阻塞了），需要使用isAlive方法。如果是可运行或被阻塞，这个方法返回true； 如果线程仍旧是new状态且不是可运行的， 或者线程死亡了，则返回false.

   3.对线程状态以及状态转换的另外理解

   据官方源码，一个线程有六个状态，没有阻塞状态，没有可运行，没有挂起状态。这里先列出各个线程状态发生的条件，下面将会对每种状态进行详细解析：
   

我们不需要去研究这几种状态的实现原理，我们只需知道在做线程操作中存在这样的状态。那我们怎么去理解这几个状态呢，新建与被终止还是很容易理解的，我们就研究一下线程从Runnable（可运行）状态与非运行状态之间 的转换问题。

3.1 TimedWaiting（计时等待）

当线程调用sleep()方法或当前线程中有其他线程调用了带时间参数的join()方法的时候进入了定时等待状态（TIMED_WAITING）。

代码示例:

/**
 * @author bruceliu
 * @create 2019-06-01 22:35
 * @description TimedWaiting（计时等待）
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread1 t1 = new Thread1();
        Thread2 t2 = new Thread2();
        t1.setThread2(t2);

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

//Thread1负责打印两个线程的状态。
class Thread1 extends Thread {
    private Thread2 t2;

    public void setThread2(Thread2 t2) {
        this.t2 = t2;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("进入t1线程");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            try {
                System.out.println("t1 的状态： " + getState());
                System.out.println("t2 的状态： " + t2.getState());
                System.out.println();

                //为了减少打印次数，所以t1每打印一次睡1秒
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {

            }
        }
    }
}

class Thread2 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("进入t2线程，马上进入睡眠");
        try {
            //睡眠5秒钟。
            sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("t2睡眠结束");
    }
}

通过案例可以发现，sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点：

1. 进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法，单独的线程也可以调用，不一定非要有协作关系。
2. 为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程中会睡眠
3. sleep与锁无关，线程睡眠到期自动苏醒，并返回到Runnable（可运行）状态。

   sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始立刻执行。

Timed Waiting 线程状态图：

3.2 BLOCKED（锁阻塞）

Blocked状态在API中的介绍为：一个正在阻塞等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。
如果我们已经学完同步机制，那么这个状态是非常好理解的了。比如，线程A与线程B代码中使用同一锁，如果线程A获取到锁，线程A进入到Runnable状态，那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态。
这是由Runnable状态进入Blocked状态。除此Waiting以及Time Waiting状态也会在某种情况下进入阻塞状态，而这部分内容作为扩充知识点带领大家了解一下。

Blocked 线程状态图：

3.3 Waiting（无限等待）

Wating状态在API中介绍为：一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。那么我们之前遇到过这种状态吗？答案是并没有，但并不妨碍我们进行一个简单深入的了解。我们通过一段代码来学习一下：

package com.bruceliu.demo7;

/**
 * @author bruceliu
 * @create 2019-05-30 16:59
 * @description
 */
public class WaitingTest {

    public static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) {

        // 演示waiting
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (obj) {
                        try {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状态醒来，获取到锁对象，继续执行了");
                            obj.wait(); //无限等待
                            //obj.wait(5000); //计时等待, 5秒 时间到，自动醒来
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=== 从waiting状 态醒来，获取到锁对象，继续执行了");
                    }
                }
            }
        }, "等待线程").start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) { //每隔3秒 唤醒一次
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "‐‐‐‐‐ 等待3秒钟");
                        Thread.sleep(3000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (obj) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "‐‐‐‐‐ 获取到锁对 象,调用notify方法，释放锁对象");
                        obj.notify();
                    }
                }
            }
        }, "唤醒线程").start();
    }
}

通过上述案例我们会发现，一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的Object.notify()方法 或 Object.notifyAll()方法。其实waiting状态并不是一个线程的操作，它体现的是多个线程间的通信，可以理解为多个线程之间的协作关系，多个线程会争取锁，同时相互之间又存在协作关系。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。当多个线程协作时，比如A，B线程，如果A线程在Runnable（可运行）状态中调用了wait()方法那么A线程就进入了Waiting（无限等待）状态，同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了notify()方法，那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒，如果获取到锁对象，那么A线程唤醒后就进入Runnable（可运行）状态；如果没有获取锁对象，那么就进入到Blocked（锁阻塞状态）。

Waiting 线程状态图:

3.4 小结

到此为止我们已经对线程状态有了基本的认识，想要有更多的了解，详情可以见下图：

我们在翻阅API的时候会发现Timed Waiting（计时等待） 与 Waiting（无限等待） 状态联系还是很紧密的，比如Waiting（无限等待） 状态中wait方法是空参的，而timed waiting（计时等待） 中wait方法是带参的。这种带参的方法，其实是一种倒计时操作，相当于我们生活中的小闹钟，我们设定好时间，到时通知，可是如果提前得到（唤醒）通知，那么设定好时间在通知也就显得多此一举了，那么这种设计方案其实是一举两得。如果没有得到（唤醒）通知，那么线程就处于Timed Waiting状态,直到倒计时完毕自动醒来；如果在倒计时期间得到（唤醒）通知，那么线程从Timed Waiting状态立刻唤醒。