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。 当然，线程也是面试中常被问到的一个知识点，是程序员必备的基础技能，使用它可以有效地提高程序的整体运行速度。 本课时的面试问题是，线程的状态有哪些？它是如何工作的？ #### 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。 线程状态的源代码如下： ``` 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？ 接下来我们一起来看这些问题的答案。 #### 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： ``` 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。 * [ ] 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： ``` // 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); } } ``` * [ ] 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： ``` 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。 ``` 从执行结果可以看出，添加 join() 方法之后，主线程会先等子线程执行 2 秒之后才继续执行。 * （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： ``` 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。 #### 小结 本课时我们介绍了线程的 6 种状态以及线程的执行流程，还介绍了 BLOCKED（阻塞等待）和 WAITING（等待）的区别，start() 方法和 run() 方法的区别，以及 join() 方法和 yield() 方法的作用，但我们不能死记硬背，要多动手实践才能真正的理解这些知识点。 #### 课后问答