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線程的生命周期,真的沒那麼簡單

2022-01-27 10:36:27 華為雲開發者社區

摘要:結合操作系統線程和編程語言線程再次深入探討線程的生命周期問題,線程的生命周期其實沒有我們想象的那麼簡單!

本文分享自華為雲社區《【高並發】線程的生命周期其實沒有我們想象的那麼簡單!!》,作者: 冰 河。

今天,我們就結合操作系統線程和編程語言線程再次深入探討線程的生命周期問題,線程的生命周期其實沒有我們想象的那麼簡單!!

理解線程的生命周期本質上理解了生命周期中各個節點的狀態轉換機制就可以了。

接下來,我們分別就通用線程生命周期和Java語言的線程生命周期分別進行詳細說明。

通用的線程生命周期

通用的線程生命周期總體上可以分為五個狀態:初始狀態、可運行狀態、運行狀態、休眠狀態和終止狀態。

我們可以簡單的使用下圖來錶示這五種狀態。

初始狀態

線程已經被創建,但是不允許分配CPU執行。需要注意的是:這個狀態屬於編程語言特有,這裏指的線程已經被創建,僅僅指在編程語言中被創建,在操作系統中,並沒有創建真正的線程。

可運行狀態

線程可以分配CPU執行。此時,操作系統中的線程被成功創建,可以分配CPU執行。

運行狀態

當操作系統中存在空閑的CPU,操作系統會將這個空閑的CPU分配給一個處於可運行狀態的線程,被分配到CPU的線程的狀態就轉換成了運行狀態

休眠狀態

運行狀態的線程調用一個阻塞的API(例如,以阻塞的方式讀文件)或者等待某個事件(例如,等待某個條件變量等),線程的狀態就會轉換到休眠狀態。此時線程會釋放CPU資源,休眠狀態的線程沒有機會獲得CPU的使用權。一旦等待的條件出現,線程就會從休眠狀態轉換到可運行狀態。

終止狀態

線程執行完畢或者出現异常就會進入終止狀態,終止狀態的線程不會切換到其他任何狀態,這也意味著線程的生命周期結束了。

以上就是通用的線程生命周期,下面,我們再看對比看下Java語言中的線程生命周期。

Java中的線程生命周期

Java中的線程生命周期總共可以分為六種狀態:初始化狀態(NEW)、可運行/運行狀態(RUNNABLE)、阻塞狀態(BLOCKED)、無時限等待狀態(WAITING)、有時限等待狀態(TIMED_WAITING)、終止狀態(TERMINATED)。

需要大家重點理解的是:雖然Java語言中線程的狀態比較多,但是,其實在操作系統層面,Java線程中的阻塞狀態(BLOCKED)、無時限等待狀態(WAITING)、有時限等待狀態(TIMED_WAITING)都是一種狀態,即通用線程生命周期中的休眠狀態。也就是說,只要Java中的線程處於這三種狀態時,那麼,這個線程就沒有CPU的使用權。

理解了這些之後,我們就可以使用下面的圖來簡單的錶示Java中線程的生命周期。

我們也可以這樣理解阻塞狀態(BLOCKED)、無時限等待狀態(WAITING)、有時限等待狀態(TIMED_WAITING),它們是導致線程休眠的三種原因!

接下來,我們就看看Java線程中的狀態是如何轉化的。

RUNNABLE與BLOCKED的狀態轉換

只有一種場景會觸發這種轉換,就是線程等待synchronized隱式鎖。synchronized修飾的方法、代碼塊同一時刻只允許一個線程執行,其他的線程則需要等待。此時,等待的線程就會從RUNNABLE狀態轉換到BLOCKED狀態。當等待的線程獲得synchronized隱式鎖時,就又會從BLOCKED狀態轉換到RUNNABLE狀態。

這裏,需要大家注意:線程調用阻塞API時,在操作系統層面,線程會轉換到休眠狀態。但是在JVM中,Java線程的狀態不會發生變化,也就是說,Java線程的狀態仍然是RUNNABLE狀態。JVM並不關心操作系統調度相關的狀態,在JVM角度來看,等待CPU使用權(操作系統中的線程處於可執行狀態)和等待IO操作(操作系統中的線程處於休眠狀態)沒有區別,都是在等待某個資源,所以,將其都歸入了RUNNABLE狀態。

我們平時所說的Java在調用阻塞API時,線程會阻塞,指的是操作系統線程的狀態,並不是Java線程的狀態。

RUNNABLE與WAITING狀態轉換

線程從RUNNABLE狀態轉換成WAITING狀態總體上有三種場景。

場景一

獲得synchronized隱式鎖的線程,調用無參的Object.wait()方法。此時的線程會從RUNNABLE狀態轉換成WAITING狀態。

場景二

調用無參數的Thread.join()方法。其中join()方法是一種線程的同步方法。例如,在threadA線程中調用threadB線程的join()方法,則threadA線程會等待threadB線程執行完。而threadA線程在等待threadB線程執行的過程中,其狀態會從RUNNABLE轉換到WAITING。當threadB執行完畢,threadA線程的狀態則會從WAITING狀態轉換成RUNNABLE狀態。

場景三

調用LockSupport.park()方法,當前線程會阻塞,線程的狀態會從RUNNABLE轉換成WAITING。調用LockSupport.unpark(Thread thread)可喚醒目標線程,目標線程的狀態又會從WAITING狀態轉換到RUNNABLE。

RUNNABLE與TIMED_WAITING狀態轉換

總體上可以分為五種場景。

場景一

調用帶超時參數的Thread.sleep(long millis)方法;

場景二

獲得synchronized隱式鎖的線程,調用帶超時參數的Object.wait(long timeout)參數;

場景三

調用帶超時參數的Thread.join(long millis)方法;

場景四

調用帶超時參數的LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline)方法;

場景五

調用帶超時參數的LockSuppor.parkUntil(long deadline)方法。

從NEW到RUNNABLE狀態

Java剛創建出來的Thread對象就是NEW狀態,創建Thread對象主要有兩種方法,一種是繼承Thread對象,重寫run()方法;另一種是實現Runnable接口,重寫run()方法。

注意:這裏說的是創建Thread對象的方法,而不是創建線程的方法,創建線程的方法包含創建Thread對象的方法。

繼承Thread對象

public class ChildThread extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        //線程中需要執行的邏輯
    }
}
//創建線程對象
ChildThread childThread = new ChildThread();

實現Runnable接口

public class ChildRunnable implements Runnable{
    @Override
    public void run(){
        //線程中需要執行的邏輯
    }
}
//創建線程對象
Thread childThread = new Thread(new ChildRunnable());

處於NEW狀態的線程不會被操作系統調度,因此也就不會執行。Java中的線程要執行,就需要轉換到RUNNABLE狀態。從NEW狀態轉換到RUNNABLE狀態,只需要調用線程對象的start()方法即可。

//創建線程對象
Thread childThread = new Thread(new ChildRunnable());
//調用start()方法使線程從NEW狀態轉換到RUNNABLE狀態
childThread.start();

RUNNABLE到TERMINATED狀態

線程執行完run()方法後,或者執行run()方法的時候拋出异常,都會終止,此時為TERMINATED狀態。如果我們需要中斷run()方法,可以調用interrupt()方法。

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