Java 线程生命周期

线程生命周期

  1. 准备状态
    触发时机:使用 new 关键字创建一个线程。
    特点: 准备状态的线程不能被CPU调度。

  2. 就绪状态
    特点: 就绪状态的线程才能被CPU调度,通过线程切换,获取CPU时间片的使用权。
    触发时机:

    1. 调用线程的 start()
    2. 时间片用完,即硬件设备发出中断指令,CPU进行线程切换。
    3. 线程主动调用 yield()。即:线程在等待锁的过程中,主动让出时间片
    4. 线程内部使用了锁,在没有获得锁的时候,也是在就绪状态
  3. 运行状态
    触发时机:该线程获取CPU时间片的使用权后,由操作系统调用 run()
    特点:只有就绪状态下的线程才有机会获得CPU时间片使用权。

  4. 阻塞状态
    阻塞状态根据触发的时机不同,可以分为:同步阻塞,等待阻塞(有限期,无限期),其他阻塞
    特点:阻塞状态下的线程,会让出CPU时间片使用权,暂时停止运行。需要注意的是:阻塞是一件利他的事情,它让其他线程有了可以执行的机会。
    触发时机:

    1. 线程运行过程中,发出I/O请求,操作系统会主动进行线程切换,I/O完成后,线程会转入就绪状态。该触发方式下的阻塞是 其他阻塞。
    2. 线程内部使用锁,且在临界区代码内调用 wait(),释放锁,线程进入阻塞状态。调用 notify 会将线程转入就绪状态。注意:通过该方式触发的阻塞为 无限期等待
    3. 线程运行过程中,任何地方调用 thread.sleep(ms)或thread.join(ms),wait(ms),都会进入阻塞状态,当超时后,线程进入就绪状态。该方式触发的阻塞为 有限期等待。
    4. 线程在锁池内监听锁的状态,且没有获得锁或获取锁失败,都会进入阻塞状态。该方式触发的阻塞为 同步阻塞。
  5. 死亡状态
    触发时机:run() 顺利执行完毕,或者因为异常导致 run() 退出。
    特点: 死亡状态下的线程不会再复活了,内存会被GC清理掉。

一些特殊方法

  • Thread.sleep(ms)

    将当前线程休眠,进入阻塞状态。如果线程持有锁,则不释放锁。当ms超时后,自动苏醒进入就绪状态。这是一种利他的行为,主动让出时间片,让其他就绪状态的线程有机会获得CPU时间片的使用权。

  • Thread.yield()

    当前线程主动让位,让出时间片后,进入就绪状态。如果线程持有锁,则不会释放锁。《操作系统导论》中有句话来形容它的作用:“让开吧,宝贝”,它的出现是为了解决自旋锁浪费CPU的问题。

  • thread.join()/join(ms)

    当前线程A内部,调用其他线程B的join(),当前线程A进入阻塞状态。如果当前线程持有锁,则不释放锁。当线程B执行完成或ms超时后,当前线程A进入就绪状态。作用:不难发现,该方法是在等待指定线程完成的操作,类似于CountdownLatch。

  • obj.wait()

    当前线程持有锁,且需要在临界区内调用wait()/wait(ms),释放持有的锁,进入等待队列,状态变为阻塞状态,只能等 notify/notifyAll 或者 ms超时后,自动进入锁池队列,等拿到锁后,状态变为可运行状态。

  • obj.notify()/notifyAll()

    通知在该锁对象的等待队列中的一个/所有线程,你/你们到锁池队列里面等着吧。

锁池队列和等待队列

锁池队列和等待队列中的线程都处在阻塞状态,不占用时间片。但是锁池中的线程都在监听锁的状态,且在锁可用的时候,可以通过竞争获得锁,而等待队列中的线程必须等通知或超时后,才能进入锁池队列,才有机会监听锁的状态并参与竞争。

扩展

下面两个指令摘抄至《操作系统导论》

  • 测试与设置指令
int TestAndSet(int *old_ptr, int new) {
    int old = *old_ptr; // fetch old value at old_ptr
    *old_ptr = new; // store 'new' into old_ptr
    return old;
}

如何用测试与设置指令实现一个自旋锁?下面是伪代码实现:

typedef struct lock_t {
    int flag;
} lock_t;
void init(lock_t *lock){
    // 0 indicates the lock is avaliable, 1 that is held
    lock->flag = 0;
}
void lock(lock_t lock){
    while(TestAndSet(&lock->flag, 1) == 1); // spin-wait(do nothing)
}
void unlock(lock_t *lock){
    lock->flag = 0;
}

分析代码:假设一个线程正在运行,调用 lock(), 没有其他线程持有锁,所以 flag=0。当原子地调用TAS(flag,1)时,设置flag=1,同时返回0。线程跳出 while 循环,获取到锁。当线程离开临界区,调用 unlock 将flag清理为0。由于测试(test旧的锁值)和设置(set新的值)是一个原子操作,所以我们保证了只有一个线程可以获得锁。

  • 比较与交换指令
int CompareAndSwap(int *ptr, int expect, int new){
    int actual = *ptr;
    if(actual == expect){
        *ptr = new;
    }
    return actual;
}

如何用CAS实现一个自旋锁那?与TAS除了加锁时调用不一样,其他地方一样。

void lock(*lock_t lock){
    while(CompareAndSwap(&lock->flag, 0, 1) == 1); // spin-wait(do nothing)
}

分析代码:CAS接收三个参数,第一个是锁值,第二个是期望值,第三个是满足期望后交换的新值。语义是:比较期望值与锁值,若满足期望则使用新值交换旧值。

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