一文带你学习Java中的线程

介绍线程

线程是系统调度的最小单元，一个进程可以包含多个线程，线程是负责执行二进制指令的。

每个线程有自己的程序计数器、栈（Stack）、寄存器（Register）、本地存储（Thread Local）等，但是会和进程内其他线程共享文件描述符、虚拟地址空间等。

对于任何一个进程来讲，即便我们没有主动去创建线程，进程也是默认有一个主线程的。

守护线程（Daemon Thread）

有的时候应用中需要一个长期驻留的服务程序，但是不希望这个服务程序影响应用退出，那么我们就可以将这个服务程序设置为守护线程，如果 Java 虚拟机发现只有守护线程存在时，将结束进程。

在 Java 中将线程设置为守护线程，具体的实现代码如下所示：

public static void main(String[] args) {
    Thread daemonThread = new Thread();
    // 必须在线程启动之前设置
    daemonThread.setDaemon(true);
    daemonThread.start();
}

通用的线程生命周期

在操作系统层面，线程有生命周期。

对于有生命周期的事物，要学好它，只要能搞懂生命周期中各个节点的状态转换机制就可以了。

通用的线程生命周期基本上可以用下图这个 “五态模型” 来描述。这五态分别是：初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态。

这“五态模型”的详细情况如下所示。

初始状态

初始状态，指的是线程已经被创建，但是还不允许被 CPU 调度。

初始状态属于编程语言特有的，这里所谓的被创建，仅仅是在编程语言层面被创建，而在操作系统层面，真正的线程还没有被创建。

在 Java 中，初始状态相当于是创建了 Thread 类的对象，但是还没有调用 Thread#start() 方法。

可运行状态

可运行状态，指的是线程可以被操作系统调度，但是线程还没有开始执行。

在可运行状态下，真正的操作系统线程已经被创建。多个线程处于可运行状态时，操作系统会根据调度算法选择一个线程运行。

在 Java 中，可运行状态相当于是调用了 Thread#start() 方法，但是线程还没有被分配 CPU 执行。

运行状态

当有空闲的 CPU 时，操作系统会将空闲的 CPU 分配给一个处于可运行状态的线程，被分配到 CPU 的线程的状态就从可运行状态转换成了运行状态。

在 Java 中，运行状态相当于是调用了 Thread#start() 方法，并且线程被分配 CPU 执行。

休眠状态

如果运行状态的线程调用了一个阻塞的 API（例如以阻塞的方式读取文件）或者等待某个事件（例如条件变量），那么线程的状态就会从运行状态转换到休眠状态，同时释放 CPU 的使用权，休眠状态的线程永远没有机会获得 CPU 的使用权。

当等待的资源或条件满足后，线程就会从休眠状态转换到可运行状态，并等待 CPU 调度。

终止状态

线程执行完毕或者出现异常，线程就会进入终止状态，即线程的生命周期终止。

这五种状态在不同编程语言里会有简化合并。例如：

• C 语言的 POSIX Threads 规范，就把初始状态和可运行状态合并了；
• Java 程序设计语言把可运行状态和运行状态合并了，这两个状态在操作系统调度层面有用，而 Java 虚拟机层面不关心这两个状态，因为 Java 虚拟机把线程调度交给操作系统处理了。

除了简化合并，这五种状态也有可能被细化，比如，Java 语言里就细化了休眠状态（这个下面我们会详细讲解）。

Java 的线程生命周期

不同的程序设计语言对于操作系统线程进行了不同的封装，下面我们学习一下 Java 的线程生命周期。

Java 程序设计语言中，线程共有六种状态，分别是：

• NEW（初始状态）
• RUNNABLE（可运行 / 运行状态）
• BLOCKED（阻塞状态）
• WAITING（无时限等待）
• TIMED_WAITING（有时限等待）
• TERMINATED（终止状态）

NEW（初始状态）、TERMINATED（终止状态）和通用的线程生命周期中的语义相同。

在操作系统层面，Java 线程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一种状态，即通用的线程生命周期中的休眠状态。也就是说只要 Java 线程处于这三种状态之一，那么这个线程就永远没有机会获得 CPU 的使用权。

所以 Java 中的线程生命周期可以简化为下图：

其中，可以将 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 理解为导致线程处于休眠状态的三种原因。

• 那具体是哪些情形会导致线程从 RUNNABLE 状态转换到这三种状态呢？
• 而这三种状态又是何时转换回 RUNNABLE 的呢？
• 以及 NEW、TERMINATED 和 RUNNABLE 状态是如何转换的？

下面我们详细讲解。

Java 的线程状态切换

从 NEW 到 RUNNABLE 状态

刚创建 Thread 类的对象时，线程处于 NEW 状态。

NEW 状态的线程，不会被操作系统调度，因此不会执行。Java 线程要执行，就必须转换到 RUNNABLE 状态。

从 NEW 状态转换到 RUNNABLE 状态只要调用线程对象的 start() 方法就可以了，具体的实现代码如下所示：

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("hello");
        }
    });
    thread.start();
}

从 RUNNABLE 到 TERMINATED 状态

线程执行完 Thrad#run() 方法后，会自动从 RUNNABLE 状态转换到 TERMINATED 状态。

如果执行 run() 方法的时候异常了抛出，也会导致线程终止，进入 TERMINATED 状态 。

1. RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换

只有一种场景会触发 RUNNABLE 与 BLOCKED 的状态转换，就是线程等待 synchronized 的隐式锁。

• 当使用 synchronized 申请加锁失败时，该线程的状态就会从 RUNNABLE 转换到 BLOCKED 状态。
• 当等待的线程获得锁时，该线程的状态就会从 BLOCKED 状态转换到 RUNNABLE 状态。

如果你熟悉操作系统线程的生命周期的话，可能会有个疑问：线程调用阻塞式 API 时，是否会转换到 BLOCKED 状态呢？在操作系统层面，线程是会转换到休眠状态的，但是在 Java 虚拟机层面，Java 线程的状态不会发生变化，也就是说 Java 线程的状态会依然保持 RUNNABLE 状态。

Java 虚拟机层面并不关心操作系统调度相关的状态，因为在 Java 虚拟机看来，等待 CPU 的使用权（操作系统层面此时处于可执行状态）与等待 I/O（操作系统层面此时处于休眠状态）没有区别，都是在等待某个资源，所以都归入了 RUNNABLE 状态。

而我们说的 Java 线程在调用阻塞式 API 时，线程会阻塞，指的是操作系统线程的状态，并不是 Java 线程的状态。

2. RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换

总体来说，有三种场景会触发 RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换。

第一种场景，获得 synchronized 隐式锁的线程，调用无参数的 Object#wait() 方法。

这里应该调用的是锁对象的 wait() 方法，具体的实现代码如下所示：

public void method() throws InterruptedException {
    synchronized (this) {
        this.wait();
    }
}

• 当调用 wait() 方法时，调用方法的线程的状态从 RUNNABLE 状态转换到 WAITING 状态
• 当调用 notify() 方法时，被唤醒的线程的状态从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE 状态

第二种场景，调用无参数的 Thread#join() 方法。

join() 是一种线程同步方法，例如有一个线程对象 thread A：

• 当调用 A.join() 方法时，执行这条语句的线程会等待 thread A 执行完，而等待中的这个线程，其状态会从 RUNNABLE 转换到 WAITING。
• 当线程 thread A 执行完，原来等待它的线程又会从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE。

Thread#join() 方法的实现基于 Object#wait()。

第三种场景，调用 LockSupport#park() 方法。

LockSupport 类，也许你有点陌生，其实 Java 并发包中锁的实现都用到了 LockSupport#park() / unpark()。

• 当调用 LockSupport.park() 方法时，调用方法的线程的状态从 RUNNABLE 转换到 WAITING。
• 当调用 LockSupport.unpark(Thread thread) 方法时，被唤醒的线程的状态从 WAITING 状态转换到 RUNNABLE 状态

总结来说：Object#wait() 和 LockSupport#park() 方法使线程的状态转换到 WAITING。

3. RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换

总体来说，有五种场景会触发 RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 的状态转换：

• 获得 synchronized 隐式锁的线程，调用带超时参数的 Object#wait(long timeout) 方法；
• 调用带超时参数的 Thread#join(long millis) 方法；（底层调用 Object#wait(long timeout) ）
• 调用带超时参数的 LockSupport.parkNanos(Object blocker, long deadline) 方法；
• 调用带超时参数的 LockSupport.parkUntil(long deadline) 方法。
• 调用带超时参数的 Thread.sleep(long millis) 方法；

这里你会发现：

• TIMED_WAITING 和 WAITING 状态的区别，仅仅是触发条件多了超时参数。
• 与 RUNNABLE 与 WAITING 的状态转换 相比，多了一个 Thread.sleep() 场景。

Java 线程 API 的使用

线程的创建

创建线程的几种方式：

• 继承 Thread 类，重写 run() 方法。
• 实现 Runnable 接口，实现其中的 run() 方法。将该实现类的对象作为参数传递到 Thread 类的构造器中，创建 Thread 类的对象。
• 实现 Callable 接口，实现其中的 call() 方法。将该实现类的对象作为参数传递到 FutureTask 类的构造器中，创建FutureTask 类的对象。将 FutureTask 类的对象作为参数传递到 Thread 类的构造器中，创建 Thread 类的对象。Callable 它解决了 Runnable 无法返回结果的困扰。

「实现 Runnable 接口」VS「继承 Thread 类」

• 通过实现（implements）的方式没有类的单继承性的局限性
• 实现的方式更适合处理多个线程有共享数据的情况

「实现 Callable 接口」VS「实现 Runnable 接口」

• call() 可以有返回值
• call() 可以抛出异常被外面的操作捕获，获取异常的信息
• 「实现 Callable 接口」支持泛型

// 自定义线程对象
class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 线程需要执行的代码
        ......
    }
}

// 创建线程对象
MyThread myThread = new MyThread();

// 实现Runnable接口
class Runner implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 线程需要执行的代码
        ......
    }
}

// 创建线程对象
Thread thread = new Thread(new Runner());

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    MyTask task = new MyTask();
    // FutureTask 用于接收运算结果
    FutureTask futureTask = new FutureTask<>(task);
    Thread thread = new Thread(futureTask);

    thread.start();
	// FutureTask 可用于线程间同步 (当前线程等待其他线程执行完成之后，当前线程才继续执行)
    // get() 返回值即为 FutureTask 构造器参数 Callable 实现类实现的 call() 的返回值
    System.out.println(futureTask.get());
}

public class MyTask implements Callable {
    @Override
    public String call() {
        // 若不需要返回值，可 return null;
        return "ok";
    }
}

线程的执行

创建好 Thread 类的对象后，通过调用 Thread#start() 方法创建线程执行任务。

线程执行要调用 start() 而不是直接调用 run()，直接调用 run() 方法只会在当前线程上同步执行 run() 方法的内容，而不会启动新线程。调用 start() 方法的作用：

• 启动一个新的线程
• 新的线程调用 run() 方法

线程的停止

有时候我们需要强制中断 run() 方法的执行，例如 run() 方法访问一个很慢的网络，我们等不下去了，想终止怎么办呢？Java 的 Thread 类里面倒是有个 stop() 方法，不过已经标记为 @Deprecated，所以不建议使用了。正确的方式是调用 interrupt() 方法。Thread#interrupt() 配合合适的代码，即可优雅的实现线程的终止。

stop() 和 interrupt() 方法的区别。

• stop() 方法会真的杀死线程，不给线程喘息的机会，如果线程持有 ReentrantLock 锁，被 stop() 的线程并不会自动调用 ReentrantLock 的 unlock() 去释放锁，那其他线程就再也没机会获得 ReentrantLock 锁，这实在是太危险了。所以该方法就不建议使用了，类似的方法还有 suspend() 和 resume() 方法，这两个方法同样也都不建议使用了。
• interrupt() 方法仅仅是通知线程，线程有机会执行一些后续操作，线程也可以无视这个通知。被 interrupt 的线程，是怎么收到通知的呢？一种是异常，另一种是主动检测。

异常

当线程 A 处于 WAITING、TIMED_WAITING 状态时，如果其他的线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，会使线程 A 返回到 RUNNABLE 状态，同时线程 A 的代码会触发 InterruptedException 异常。

上面我们提到转换到 WAITING、TIMED_WAITING 状态的触发条件，都是调用了类似 wait()、join()、sleep() 这样的方法，我们看这些方法的签名，发现都会 throws InterruptedException 这个异常。这个异常的触发条件就是：其他的线程调用了该线程的 interrupt() 方法。

当线程 A 处于 RUNNABLE 状态时：

• 当线程 A 处于 RUNNABLE 状态，并且阻塞在 java.nio.channels.InterruptibleChannel 上时，如果其他的线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，线程 A 会触发 java.nio.channels.ClosedByInterruptException 这个异常；
• 当线程 A 处于 RUNNABLE 状态，并且阻塞在 java.nio.channels.Selector 上时，如果其他的线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，线程 A 的 java.nio.channels.Selector 会立即返回。

上面这两种情况属于被中断的线程通过异常的方式获得了通知。

主动检测

还有一种是主动检测，如果线程处于 RUNNABLE 状态，并且没有阻塞在某个 I/O 操作上，例如中断计算圆周率的线程 A，这时就得依赖线程 A 主动检测中断状态了。如果其他的线程调用线程 A 的 interrupt() 方法，那么线程 A 可以通过 isInterrupted() 方法，检测是不是自己被中断了。

以上就是一文带你学习Java中的线程的详细内容，更多关于Java 线程的资料请关注编程网其它相关文章！