介绍

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。

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

线程状态的源代码如下:

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public enum State {
    /**
     * 新建状态,线程被创建出来,但尚未启动时的线程状态
     */
    NEW,

    /**
     * 就绪状态,表示可以运行的线程状态,但它在排队等待来自操作系统的 CPU 资源
     */
    RUNNABLE,

    /**
     * 阻塞等待锁的线程状态,表示正在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
     */
    BLOCKED,

    /**
     * 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。
     * 例如,一个线程调用了 Object.wait() 它在等待另一个线程调用
     * Object.notify() 或 Object.notifyAll()
     */
    WAITING,

    /**
     * 计时等待状态,和等待状态 (WAITING) 类似,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) 就会进入此状态
     */
    TIMED_WAITING,

    /**
     * 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:

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 通常还会有这些问题:

  • 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

1.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。

2.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:

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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:

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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。

3.线程优先级

在 Thread 源码中和线程优先级相关的属性有 3 个:

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// 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:

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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);
    }
}

4.线程的常用方法

线程的常用方法有以下几个。

(1)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:

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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;
        }
    }
}

(2)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:

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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:

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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。