线程的一生

线程是 CPU 调度的基本单位。Java 中线程状态分为 6 种：

  • New：创建状态
  • Runnable：可运行状态
  • Waiting：等待状态
  • Timed Waiting：限时等待状态
  • Blocking：阻塞状态
  • Terminated：结束状态

Thread.State 中介绍了各个状态的含义。

Runable

创建（new） 后的线程对象，调用 Thread.start() 方法进入 可运行（Runnable） 状态。

可运行 线程并没有立即执行，而是分为了两步：ready to run 和 running。因为线程进入可运行状态后仍然需要等待某些资源，最常见的是等待 CPU 调度资源或 IO 资源。

线程执行结束后，进入了 结束（Terminated） 状态。

Waiting

线程会以 3 种不同方式进入 等待（Waiting） 状态，然后以各自的方式被唤醒。唤醒后的线程并没有直接进入 可运行 状态，而是参与了锁竞争。下面详细的介绍了这个过程。

任何处于等待状态下的线程，均允许响应中断。但是，仍然需要参与锁竞争，获得锁权限后才会抛出 InterruptedException。

Object.wait()

Object.wait() 调用后，线程需要先放弃对象锁（若事先未获得锁，则抛出 IllegalMonitorStateException），然后被推进 线程等待队列（Thread Waiting Set），等待其他线程的唤醒。

其他线程调用 Object.notify() 会 随机 唤醒等待队列中的一个线程。为了公平性，该线程并没有直接进入可运行状态，而是重新开始了锁竞争，成功获取锁权限后才进入可运行状态。否则，线程会因为竞争锁失败而进入 阻塞（Blocking），一直到获取锁权限。

Object.notifyAll() 会唤醒等待队列中的所有线程，后续过程与 Object.wait() 相同。

特别注意：

  1. 等待线程仍然可以响应中断，但是需要竞争到锁权限后才会抛出 InterruptedException

  2. 等待线程有可能（概率尽管很小）出现 意外唤醒（Surprise Wakeup），因此通常在循环中调用 wait() 方法

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    private final Object object = new Object();
    ....
    synchronized (object) {
        while (condition) {
            object.wait();
        }
    }

Thread.join()

Thread.join() 方法是为了等待某一个线程进入 终止（Terminated） 状态，当线程执行完毕，等待结束。

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Thread t = new Thread();
t.start();
// waiting for t finished.
t.join();

Thread.join() 的底层原理是基于 Object.wait() 实现的，通过循环判断线程是否存活来决定是否继续等待。

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public final synchronized void join(long millis) {
    ...
    while (isAlive()) {
        wait(delay);
    }
    ...
}

LockSupport.park()

LockSupport 是 Java 中用于支持 线程阻塞原语（Thread Blocking Primitives，又称 PV 原语） 的基础工具类，位于 java.util.concurrent.locks 包下。Lock 与 Condition 都是基于 LockSupport 实现的。

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Lock lock = new ReentrantLock();
Condition cond = lock.newCondition();

PV 原语用于空闲资源申请和释放，P 操作用于申请一个空闲资源，V 操作用于释放空闲资源，操作系统的线程管理 中介绍了 PV 原语的作用和原理。

park 方法等同于 P 操作，unpark 等同于 V 操作。调用 park 方法无法获取空闲资源时，线程会进入等待状态，直到其他线程调用 unpark 方法释放资源。

特别注意的是，park 方法进入的等待的线程，有可能被意外唤醒（与 Object.wait() 中的意外唤醒相同），为了安全起见，通常都会在循环中调用。

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while (condition) {
    LockSupport.park(this);
}

Timed Waiting

限时等待（Timed Waiting） 与 等待（Waiting） 状态相似，但是它可以在超时后在没有外界的影响下自我唤醒。

下面是关于各个限时等待方法的参数对于边界值的处理方式：

等于 0 小于 0
Thread.sleep(millis) 立即唤醒 IllegalArgumentException
Thread.join(millis) 与 jion() 相同 IllegalArgumentException
Object.wait(timeout) 与 wait() 相同 IllegalArgumentException
LockSupport.parkNanos 无任何操作，直接返回 无任何操作，直接返回
LockSupport.parkUtil 无任何操作，直接返回 无任何操作，直接返回

注：使用 LockSupport.parkNanos 和 LockSupport.parkUtil 时 必须 保证等待参数大于 0，否则方法无效。

Terminated

执行完任务的线程，会进入 结束（Terminated） 状态。

以下是 Java 线程状态变化流程图。

thread_lifecycle
thread_lifecycle

Tick, Tick

线程状态是 Java 多线程“游戏”中的基本规则。本篇重点讲解的线程等待与唤醒，恰恰是这场游戏中最复杂、最关键的一环。Java 中诸多熟知的多线程工具，例如：可重入锁、Condition、Thread.join 等都是基于线程等待实现的。