# 面经手册 · 第20篇《Thread 线程,状态转换、方法使用、原理分析》

作者:小傅哥
博客:https://bugstack.cn (opens new window)

沉淀、分享、成长,让自己和他人都能有所收获!😄

# 一、前言

考不常用的、考你不会的、考你忽略的,才是考试!

大部分考试考的,基本都是不怎么用的。例外的咱们不说😄 就像你做程序开发,尤其在RPC+MQ+分库分表,其实很难出现让你用一个机器实例编写多线程压榨CPU性能。很多时候是扔出一个MQ,异步消费了。如果没有资源竞争,例如库表秒杀,那么其实你确实很难接触多并发编程以及锁的使用。

但!凡有例外,比如你需要开发一个数据库路由中间件,那么就肯定会出现在一台应用实例上分配数据库资源池的情况,如果出现竞争就要合理分配资源。如此,类似这样的中间件开发,就会涉及到一些更核心底层的技术的应用。

所以,有时候不是没用,而是你没有

# 二、面试题

谢飞机,小记! 线程我玩定了,面试也拦不住我,我说的!

谢飞机:嘿,你好哇,我是谢飞机!

面试官:好,今天电话面试,你准备好了?

谢飞机:准备好了,嘿嘿!

面试官:嗯,我看你简历里写了不少线程的东西,看来了解的不错。问你一个线程吧那就,线程之间状态是怎么转换的?

谢飞机:扒拉扒拉,扒拉扒拉!

面试官:嗯,还不错。那 yield 方法是怎么使用的。

谢飞机:嗯!好像是让出CPU。具体的没怎么用过!

面试官:做做测试,验证下,下次问你。

# 三、Thread 状态关系

Java 的线程状态描述在枚举类 java.lang.Thread.State 中,共包括如下五种状态:

public enum State {
    NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED;
}
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这五种状态描述了一个线程的生命周期,其实这种状态码的定义在我们日常的业务开发中,也经常出现。比如:一个活动的提交、审核、拒绝、修改、通过、运行、关闭等,是类似的。那么线程的状态是通过下图的方式进行流转的,如图 20-1

图 20-1 线程状态流转

  • New:新创建的一个线程,处于等待状态。
  • Runnable:可运行状态,并不是已经运行,具体的线程调度各操作系统决定。在 Runnable 中包含了 ReadyRunning 两个状态,当线程调用了 start() 方法后,线程则处于就绪 Ready 状态,等待操作系统分配 CPU 时间片,分配后则进入 Running 运行状态。此外当调用 yield() 方法后,只是谦让的允许当前线程让出CPU,但具体让不让不一定,由操作系统决定。如果让了,那么当前线程则会处于 Ready 状态继续竞争CPU,直至执行。
  • Timed_waiting:指定时间内让出CPU资源,此时线程不会被执行,也不会被系统调度,直到等待时间到期后才会被执行。下列方法都可以触发:Thread.sleepObject.waitThread.joinLockSupport.parkNanosLockSupport.parkUntil
  • Wating:可被唤醒的等待状态,此时线程不会被执行也不会被系统调度。此状态可以通过 synchronized 获得锁,调用 wait 方法进入等待状态。最后通过 notify、notifyall 唤醒。下列方法都可以触发:Object.waitThread.joinLockSupport.park
  • Blocked:当发生锁竞争状态下,没有获得锁的线程会处于挂起状态。例如 synchronized 锁,先获得的先执行,没有获得的进入阻塞状态。
  • Terminated:这个是终止状态,从 New 到 Terminated 是不可逆的。一般是程序流程正常结束或者发生了异常。

这里参考枚举State 类的英文注释了解了每一个状态码的含义,接下来我们去尝试操作线程方法,把这些状态体现出来。

# 四、Thread 状态测试

# 1. NEW

Thread thread = new Thread(() -> {
});
System.out.println(thread.getState());

// NEW
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  • 这个状态很简单,就是线程创建还没有启动时就是这个状态。

# 2. RUNNABLE

Thread thread = new Thread(() -> {
});
// 启动
thread.start();
System.out.println(thread.getState());

// RUNNABLE
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  • 创建的线程启动后 start(),就会进入 RUNNABLE 状态。但此时并不一定在执行,而是说这个线程已经就绪,可以竞争 CPU 资源。

# 3. BLOCKED

Object obj = new Object();
new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}).start();

Thread thread = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        try {
            obj.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});

thread.start();
while (true) {
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(thread.getState());
}

// BLOCKED
// BLOCKED
// BLOCKED
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  • 这段代码稍微有点长,主要是为了让两个线程发生锁竞争。
  • 第一个线程,synchronized 获取锁后休眠,不释放锁。
  • 第二个线程,synchronized 获取不到锁,会被挂起。
  • 那么最后的输出结果就会是,BLOCKED

# 4. WAITING

Object obj = new Object();
Thread thread = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        try {
            obj.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});

thread.start();

while (true) {
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(thread.getState());
}

// WAITING
// WAITING
// WAITING
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  • 只要在 synchronized 代码块或者修饰的方法中,调用 wait 方法,又没有被 notify 就会进入 WAITING 状态。
  • 另外 Thread.join 源码中也是调用的 wait 方法,所以也会让线程进入等待状态。

# 5. TIMED_WAITING

Object obj = new Object();
Thread thread = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) {
        try {
            Thread.sleep(100000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
thread.start();

while (true) {
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(thread.getState());
}

// TIMED_WAITING
// TIMED_WAITING
// TIMED_WAITING
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  • 有了上面状态获取的对比,这个状态的获取就没什么难度了。只要改成 Thread.sleep(100000); 就可以了。

# 6. TERMINATED

Thread thread = new Thread(() -> {
});
thread.start();

System.out.println(thread.getState());
System.out.println(thread.getState());
System.out.println(thread.getState());

// RUNNABLE
// TERMINATED
// TERMINATED
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  • 这个就比较简单了,只要一个线程运行完,它的生命周期结束了,就进入了 TERMINATED 状态。

# 五、Thread 方法使用

一般情况下 Thread 中最常用的方法就是 start 启动,除此之外一些其他方法可能在平常的开发中用的不多,但这些方法在一些框架中却经常出现。因此只了解它们的概念,但是却缺少一些实例来参考! 接下来我们就来做一些案例来验证这些方法,包括:yield、wait、notify、join。

# 1. yield

yield 方法让出CPU,但不一定,一定让出!。这种可能会用在一些同时启动的线程中,按照优先级保证重要线程的执行,也可以是其他一些特殊的业务场景(例如这个线程内容很耗时,又不那么重要,可以放在后面)。

为了验证这个方法,我们做一个例子:启动50个线程进行,每个线程都进行1000次的加和计算。其中10个线程会执行让出CPU操作。那么,如果让出CPU那10个线程的计算加和时间都比较长,说明确实在进行让出操作。

案例代码

private static volatile Map<String, AtomicInteger> count = new ConcurrentHashMap<>();
static class Y implements Runnable {
    private String name;
    private boolean isYield;
    public Y(String name, boolean isYield) {
        this.name = name;
        this.isYield = isYield;
    }
    @Override
    public void run() {
        long l = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            if (isYield) Thread.yield();
            AtomicInteger atomicInteger = count.get(name);
            if (null == atomicInteger) {
                count.put(name, new AtomicInteger(1));
                continue;
            }
            atomicInteger.addAndGet(1);
            count.put(name, atomicInteger);
        }
        System.out.println("线程编号:" + name + " 执行完成耗时:" + (System.currentTimeMillis() - l) + " (毫秒)" + (isYield ? "让出CPU----------------------" : "不让CPU"));
    }
}

public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        if (i < 10) {
            new Thread(new Y(String.valueOf(i), true)).start();
            continue;
        }
        new Thread(new Y(String.valueOf(i), false)).start();
    }
}
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测试结果

线程编号:10 执行完成耗时:2 (毫秒)不让CPU
线程编号:11 执行完成耗时:2 (毫秒)不让CPU
线程编号:15 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:14 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:19 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:18 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:22 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:26 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:27 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:30 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:31 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:34 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:12 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:16 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:13 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:17 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:20 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:23 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:21 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:25 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:24 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:28 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:38 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:39 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:37 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:40 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:44 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:36 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:42 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:45 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
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线程编号:46 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:47 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:35 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:33 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:32 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:41 执行完成耗时:0 (毫秒)不让CPU
线程编号:48 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:6 执行完成耗时:15 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:7 执行完成耗时:15 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:49 执行完成耗时:2 (毫秒)不让CPU
线程编号:29 执行完成耗时:1 (毫秒)不让CPU
线程编号:2 执行完成耗时:17 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:1 执行完成耗时:11 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:4 执行完成耗时:15 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:8 执行完成耗时:12 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:5 执行完成耗时:12 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:9 执行完成耗时:12 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:0 执行完成耗时:21 (毫秒)让出CPU----------------------
线程编号:3 执行完成耗时:21 (毫秒)让出CPU----------------------
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  • 从测试结果可以看到,那些让出 CPU 的,执行完计算已经在10毫秒以上,说明我们的测试是效果的。

# 2. wait & notify

wait 和 notify/nofityall,是一对方法,有一个等待,就会有一个叫醒,否则程序就夯在那不动了。关于这部分会使用到的 synchronized 在之前小傅哥有深入的源码分析,讲到它是怎么加锁在对象头的,如果你忘记了可以翻翻看 《synchronized 解毒,剖析源码深度分析!》 (opens new window)

接下来我们模拟鹿鼎记·丽春院,清倌喝茶吟诗聊风月日常。当有达官贵人来时,需要分配清倌给大老爷。中间会有一些等待、叫醒操作。只为让你更好的记住这样的案例,不要想歪喽。清倌人即是只卖艺欢场人,喊麦的。

案例代码

public class 丽春院 {

    public static void main(String[] args) {
        老鸨 鸨子 = new 老鸨();

        清倌 miss = new 清倌(鸨子);
        客官 guest = new 客官(鸨子);

        Thread t_miss = new Thread(miss);
        Thread t_guest = new Thread(guest);

        t_miss.start();
        t_guest.start();
    }

}

class 清倌 implements Runnable {

    老鸨 鸨子;

    public 清倌(老鸨 鸨子) {
        this.鸨子 = 鸨子;
    }

    @Override
    public void run() {
        int i = 1;
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e1) {
                e1.printStackTrace();
            }
            if (i == 1) {
                try {
                    鸨子.在岗清倌("苍田野子", "500 日元");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } else {
                try {
                    鸨子.在岗清倌("花田岗子", "800 日元");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            i = (i + 1) % 2;
        }
    }

}

class 客官 implements Runnable {

    老鸨 鸨子;

    public 客官(老鸨 鸨子) {
        this.鸨子 = 鸨子;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e1) {
                e1.printStackTrace();
            }
            try {
                鸨子.喝茶吟诗聊风月();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

class 老鸨 {

    private String 清倌 = null;
    private String price = null;
    private boolean 工作状态 = true;

    public synchronized void 在岗清倌(String 清倌, String price) throws InterruptedException {
        if (!工作状态)
            wait();//等待
        this.清倌 = 清倌;
        this.price = price;
        工作状态 = false;
        notify();//叫醒
    }

    public synchronized void 喝茶吟诗聊风月() throws InterruptedException {
        if (工作状态)
            wait();//等待
        System.out.println("聊风月:" + 清倌);
        System.out.println("茶水费:" + price);
        System.out.println("  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + "  " + 清倌 + "完事" + "准备 ... ...");
        System.out.println("****************************************");
        工作状态 = true;
        notify();//叫醒
    }

}
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测试结果

聊风月:苍田野子
茶水费:500 日元
                    苍田野子完事准备 ... ...
****************************************
聊风月:花田岗子
茶水费:800 日元
                    花田岗子完事准备 ... ...
****************************************
聊风月:苍田野子
茶水费:500 日元
                    苍田野子完事准备 ... ...
****************************************

...
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  • 效果效果主要体现 wait、notify,这两个方法的使用。我相信你一定能记住这个例子!

# 3. join

join 是两个线程的合并吗?不是的!

join 是让线程进入 wait ,当线程执行完毕后,会在JVM源码中找到,它执行完毕后,其实执行notify,也就是 等待叫醒 操作。

源码jdk8u_hotspot/blob/master/src/share/vm/runtime/thread.cpp (opens new window)

void JavaThread::exit(bool destroy_vm, ExitType exit_type) {
	// Notify waiters on thread object. This has to be done after exit() is called
	// on the thread (if the thread is the last thread in a daemon ThreadGroup the
	// group should have the destroyed bit set before waiters are notified).
	ensure_join(this);
}
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static void ensure_join(JavaThread* thread) {
  // 叫醒
  java_lang_Thread::set_thread(threadObj(), NULL);
  lock.notify_all(thread);
}
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好的,就是这里!lock.notify_all(thread),执行到这,就对上了。

案例代码

Thread thread = new Thread(() -> {
    System.out.println("thread before");
    try {
        Thread.sleep(3000);
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("thread after");
});
thread.start();
System.out.println("main begin!");
thread.join();
System.out.println("main end!");
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测试结果

main begin!
thread before
thread after
main end!

Process finished with exit code 0
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首先join() 是一个synchronized方法, 里面调用了wait(),这个过程的目的是让持有这个同步锁的线程进入等待,那么谁持有了这个同步锁呢?答案是主线程,因为主线程调用了threadA.join()方法,相当于在threadA.join()代码这块写了一个同步代码块,谁去执行了这段代码呢,是主线程,所以主线程被wait()了。然后在子线程threadA执行完毕之后,JVM会调用lock.notify_all(thread);唤醒持有threadA这个对象锁的线程,也就是主线程,会继续执行。

  • 这部分验证的主要体现就是加了 thread.join() 后,会影响到输出结果。如果不加,main end! 会优先 thread after 提前打印出来。
  • join() 是一个 synchronized 方法,里面调用了 wait() 方法,让持有当前同步锁的线程进入等待状态,也就是主线程。当子线程执行完毕后,我们从源码中可以看到 JVM 调用了 lock.notify_all(thread) 所以唤醒了主线程继续执行。

# 六、总结

  • 线程状态和状态的转换也是面试中必问的问题,但除了面试是我们自己在开发中,如果真的使用线程,是非常有必要了解线程状态是如何转换的。模模糊糊的使用,总会觉得担心,那么你是个好程序员!
  • 线程的一些深入学习都是在调用本地方法,也就是需要了解到JVM层面,才能更加深刻的见到c++代码是如何实现这部分逻辑的。
  • 在使用线程的时候一定要让自己有一个类似多核的脑子,*线程一起、生死由你!*本章节就扯到这了,很多的知识都是为了整套内容体系的全面,为后续介绍其他知识打下根基。感谢!