Java 多线程学习（5）画一张漂亮的图帮助理解 Java 线程的状态转换

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HappyFeet的博客

最开始的打算是只写线程的状态及转换的（即下文中的 1、2 点），因为在看了 Thread 源码和别人写的关于线程状态转换的博客之后，心里挺明了的，觉得自己应该理解了。。。

不过在学 AQS 的时候发现用到了很多 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark()，涉及到挂起线程与唤醒线程，这个时候才意识到自己对于这一块其实并不是太熟，并不太清楚 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 是怎么用的（只知道一个会挂起线程，另一个会唤醒线程，但是其中的原理并不清楚），于是又跑去看 LockSupport 的源码、学习 Object.wait() 和 Object.notify() 的使用及原理，此时才觉得对线程状态的转换才算是入门了。

切实体会到了纸上谈兵是多么的可笑！好了，进入正题。

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线程都有哪些状态呢？它们之间是如何转换的呢？如何通过代码来完成这些转换呢？这就是这篇文章要解决的问题。

其实之前对线程的状态还是了解过的，不过没有系统的整理过，有些知识点还是略微模糊的。例如：

• 在哪些情况下线程会进入等待状态？（又分为限期等待和无限期等待两种）
• 阻塞状态和等待状态的区别？
• Object.wait() 和 Object.notify()、LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 如何使用？
• …

1、线程的 6 种状态

Java 线程（为什么说是 Java 线程呢？因为操作系统线程状态和这 6 个状态还有些许差异）一共有 6 种状态，Thread 类中专门定义了一个枚举类 State 来表示这 6 种状态。

（1）NEW（新建）

创建了一个 Thread 实例，还没有调用其 start() 方法，此时线程处于新建状态。

（2）RUNNABLE（运行）

运行状态包含了 Ready 和 Running 两种状态。什么意思呢？

Ready 状态的意思就是我已经准备好一切，只要让我用 CPU 我就能 Running，即正在等待 CPU 分配执行时间；

Running 状态就是得到了 CPU 的执行时间，正在运行。

（3）BLOCKED（阻塞）

线程 A 进入同步区域的时候，需要获取一个排他锁，若此时排他锁正在被另一个线程 B 占有，线程 A 将进入阻塞状态。

（4）WAITING（无限期等待）

处于这种状态的线程不会被分配 CPU 执行时间，它们要等待被其他线程显式地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态：

• 没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法；
• 没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法；
• LockSupport.park() 方法。

（5）TIMED_WAITING（限期等待）

处于这种状态的线程也不会被分配 CPU 执行时间，不过无须等待被其他线程显式地唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态：

• Thread.sleep() 方法；
• 设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法；
• 设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法；
• LockSupport.parkNanos() 方法；
• LockSupport.parkUntil() 方法。

（6）TERMINATED（结束）

run() 方法执行完成，线程结束执行，此时的线程状态。

2、线程的状态转换图

上一节讲了线程的 6 个状态以及线程进入这 6 个状态的场景，其实不是很直观；下面的这幅图很直观的展示了线程状态的转换（建议自己去画一遍这个图，如果能不借助外物就能画出来的话，基本上线程状态转换也就没什么问题了）。

我个人觉得这图还挺好看的！不知诸位觉得如何？

3、如何通过代码展示上述几个状态？

（1）NEW（新建）

    private static void newState() {
        Thread newThread = new Thread("00-newThread");
        System.out.println(newThread.getState());
    }

（2）RUNNABLE（运行）

    private static void runnableState() {
        Thread runnableThread = new Thread(() -> {
            while (true) {

            }
        }, "01-runnableThread");

        runnableThread.start();

        System.out.println(runnableThread.getState());
    }

（3）BLOCKED（阻塞）

    private static void blockedState() {

        Thread holdLockThread = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                while (true) {

                }
            }
        }, "holdLockThread");

        holdLockThread.start();

        Thread blockedThread = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                while (true) {

                }
            }
        }, "04-blockedThread");

        blockedThread.start();

        System.out.println(blockedThread.getState());
    }

（4）WAITING（无限期等待）

    private static void waitingState() {
        Thread waitingThread = new Thread(() -> {
            LockSupport.park();
        }, "02-waitingThread");

        waitingThread.start();

        System.out.println(waitingThread.getState());
    }

（5）TIMED_WAITING（限期等待）

    private static void timeWaitingState() {
        Thread timeWaitingThread = new Thread(() -> {
            LockSupport.parkUntil(LocalDateTime.now().plusDays(1).toEpochSecond(ZoneOffset.of("+8")) * 1000);
        }, "03-timeWaitingThread");

        timeWaitingThread.start();

        System.out.println(timeWaitingThread.getState());
    }

（6）TERMINATED（结束）

    private static void terminatedState() {
        Thread terminatedThread = new Thread("05-terminatedThread");
        terminatedThread.start();
        try {
            terminatedThread.join();// 等待 terminatedThread 执行完成
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(terminatedThread.getState());
    }

4、Object.wait() 和 Object.notify()

    private static void waitAndNotify() {

        Thread waitThread = new Thread(() -> {
            synchronized (waitAndNotify) {
                System.out.println("I'm wait thread.");
                try {
                    System.out.println("waiting...");
                    waitAndNotify.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("notified.");
            }
        }, "waitThread");

        Thread notifyThread = new Thread(() -> {
            synchronized (waitAndNotify) {
                System.out.println("I'm notified thread.");
                waitAndNotify.notify();
                System.out.println("notify wait thread.");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("after sleep 1 second.");
            }
        }, "notifyThread");

        waitThread.start();
        try {
            Thread.sleep(20);// 确保 waitThread 在 notifyThread 之前执行
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        notifyThread.start();
    }

输出：

I'm wait thread.
waiting...
I'm notified thread.
notify wait thread.
after sleep 1 second.
notified.

关于 Object.wait() 和 Object.notify() 补充几点：

（1）当前线程必须是 waitAndNotify monitor 的持有者，如果不是会抛 IllegalMonitorStateException；

（2）调用 waitAndNotify.wait() 方法会将当前线程放入 waitAndNotify 对象的 wait set 中等待被唤醒；并且释放其持有的所有锁；

（3）调用 waitAndNotify.notify() 方法会从 waitAndNotify 对象的 wait set 中唤醒一个线程（此例中的 waitThread），不过 waitThread 不会马上执行，它必须等待 notifyThread 释放 waitAndNotify 锁；当 waitThread 再次获得 waitAndNotify 锁，才可以再次执行。也就解释了为什么 notified. 会在最后输出。

5、LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark()

    private static void parkAndUnpark() {

        Thread parkThread = new Thread(() -> {
            System.out.println("park.");
            LockSupport.park();
            System.out.println("unpark.");
        }, "parkThread");

        parkThread.start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("after sleep 1 second");

        LockSupport.unpark(parkThread);
    }

输出：

park.
after sleep 1 second
unpark.

6、结语

本文差不多结束了，完整代码可在这里找到。不过遗留的问题其实还有很多：

• 线程的中断？
• Thread 中的 native 方法的底层实现（C++源码）
• Object.wait() 和 Object.notify() 的底层原理（C++源码）
• LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark() 的底层原理（C++源码）

遗留的这些问题基本上都是一些 native 方法，需要跟踪 C++ 源码；或者查看官方文档，比如： Threads and Locks。

经过查阅资料以及对 C++ 源码的摸索，对于上面几个问题背后的原理我也正在理解中，后续我会将自己的一些理解整理出来。

我一直坚信，钻研技术要做到：知其然，知其所以然！

参考资料：

（1）Thread.java 源码

（2）《深入理解 Java 虚拟机》第二版.