【面试精讲】Java线程6种状态和工作原理详解，Java创建线程的4种方式

Java线程6种状态和工作原理详解，Java创建线程的4种方式

目录

在并发编程领域，Java线程是实现多任务处理的基石。了解其状态及工作原理对于开发高效、稳定的Java应用至关重要。本文将深入探讨Java线程的各种状态以及它们的工作机制。

一、Java线程的六种状态

Java线程在其生命周期内可以处于以下几种状态：

1. 新建（New）: 线程被创建后，但在调用start()方法之前的状态。
2. 可运行（Runnable）: 线程已经启动，并且执行start()方法后的状态。在此状态，线程可能正在运行也可能正在等待CPU分配时间片，具体取决于操作系统的线程调度器。
3. 阻塞（Blocked）: 当一个线程试图获取一个对象的锁（不是通过synchronized块或方法），而该锁被其他线程持有，则该线程会进入阻塞状态。
4. 等待（Waiting）: 当一个线程等待另一个线程执行特定动作时（例如，通过Object.wait()、Thread.join()或LockSupport.park()），该线程会进入等待状态。
5. 超时等待（Timed Waiting）: 类似于等待状态，但有最大等待时间限制。当线程调用带有指定等待时间的sleep(), wait(), join(), 或LockSupport.parkNanos()/parkUntil()时，会处于该状态。
6. 终止（Terminated）: 线程的运行结束，无论是正常完成还是中途退出。

public enum State {
    /**
     * 新建状态，线程被创建出来，但尚未启动时的线程状态
     */
    NEW,

    /**
     * 就绪状态，表示可以运行的线程状态，但它在排队等待来自操作系统的 CPU 资源
     */
    RUNNABLE,

    /**
     * 阻塞等待锁的线程状态，表示正在处于阻塞状态的线程，正在等待监视器锁，比如等待执行 synchronized 代码块或者
     * 使用 synchronized 标记的方法
     */
    BLOCKED,

    /**
     * 等待状态，一个处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行某个特定的动作。
     * 例如，一个线程调用了 Object.wait() 它在等待另一个线程调用
     * Object.notify() 或 Object.notifyAll()
     */
    WAITING,

    /**
     * 计时等待状态，和等待状态 (WAITING) 类似，只是多了超时时间，比如
     * 调用了有超时时间设置的方法 Object.wait(long timeout) 和 
     * Thread.join(long timeout) 就会进入此状态
     */
    TIMED_WAITING,

    /**
     * 终止状态，表示线程已经执行完成
     */
}

二、Java线程是如何工作的？

Java线程的工作机制与操作系统的线程管理紧密相关。Java虚拟机（JVM）通过映射到底层操作系统的原生线程实现来管理Java线程。这个过程主要包括线程的创建、调度、上下文切换、以及终止等方面。

• 创建: 当在Java程序中创建线程对象并调用其start()方法时，JVM会向操作系统请求创建一个新的线程。操作系统为此分配资源并开始执行线程的run()方法。
• 调度与执行: 一旦线程处于可运行状态，它就成为了操作系统调度器的候选对象。基于操作系统的策略和当前情况（如优先级、CPU亲和性等），调度器选择线程并分配CPU时间片进行执行。在任意给定时刻，单核CPU只能执行一个线程，而多核CPU可以并行执行多个线程。
• 上下文切换: 当当前执行的线程由于时间片耗尽、等待IO操作、试图获取锁等原因需要被暂停时，操作系统保存当前线程的状态（称为“上下文”），并恢复另一个线程的上下文以继续执行。这个保存和恢复的过程称为上下文切换。
• 等待与通知: 当线程进入等待状态时，它会释放所有持有的锁，直到其他线程通过特定的通知机制（如notify()、notifyAll()方法）将其唤醒。此时，线程再次竞争获取必要的锁以继续执行。
• 终止: 线程执行完毕后，或者因为未捕获的异常而终止，JVM会清理线程所占用的所有资源，并将线程标记为终止状态。

线程的工作模式是，首先先要创建线程并指定线程需要执行的业务方法，然后再调用线程的 start() 方法，此时线程就从 NEW（新建）状态变成了 RUNNABLE（就绪）状态，此时线程会判断要执行的方法中有没有 synchronized 同步代码块，如果有并且其他线程也在使用此锁，那么线程就会变为 BLOCKED（阻塞等待）状态，当其他线程使用完此锁之后，线程会继续执行剩余的方法。

当遇到 Object.wait() 或 Thread.join() 方法时，线程会变为 WAITING（等待状态）状态，如果是带了超时时间的等待方法，那么线程会进入 TIMED_WAITING（计时等待）状态，当有其他线程执行了 notify() 或 notifyAll() 方法之后，线程被唤醒继续执行剩余的业务方法，直到方法执行完成为止，此时整个线程的流程就执行完了，执行流程如下图所示：

三、BLOCKED 和 WAITING 的区别

虽然 BLOCKED 和 WAITING 都有等待的含义，但二者有着本质的区别，首先它们状态形成的调用方法不同，其次 BLOCKED 可以理解为当前线程还处于活跃状态，只是在阻塞等待其他线程使用完某个锁资源；而 WAITING 则是因为自身调用了 Object.wait() 或着是 Thread.join() 又或者是 LockSupport.park() 而进入等待状态，只能等待其他线程执行某个特定的动作才能被继续唤醒，比如当线程因为调用了 Object.wait() 而进入 WAITING 状态之后，则需要等待另一个线程执行 Object.notify() 或 Object.notifyAll() 才能被唤醒。

四、start() 和 run() 源码分析

首先从 Thread 源码来看，start() 方法属于 Thread 自身的方法，并且使用了 synchronized 来保证线程安全

public synchronized void start() {
    // 状态验证，不等于 NEW 的状态会抛出异常
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();

    // 通知线程组，此线程即将启动
    group.add(this);

    boolean started = false;
    try {
        start0();
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            // 不处理任何异常，如果 start0 抛出异常，则它将被传递到调用堆栈上
        }
    }
}

run() 方法为 Runnable 的抽象方法，必须由调用类重写此方法，重写的 run() 方法其实就是此线程要执行的业务方法

public class Thread implements Runnable {
 // 忽略其他方法......
  private Runnable target;

  @Override
  public void run() {
      if (target != null) {
          target.run();
      }
  }
}

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

五、Java创建线程的所有方式和代码详解

Java提供了多种创建和管理线程的方式，从简单的Thread类继承到实现Runnable或Callable接口，再到使用强大的线程池管理。

选择合适的方式取决于具体的应用场景和需求。对于简单的任务，直接使用Thread类或Runnable接口可能就足够了。而对于需要任务执行结果的情况，Callable接口将是更好的选择。

在处理大量并发任务时，利用线程池可以显著提高性能和资源利用率。了解和掌握这些方法，对于编写高效、稳定的Java多线程程序至关重要。

1. 继承Thread类

Java允许通过继承Thread类的方式创建线程。这种方式简单直观，适用于简单的线程任务。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 这里填写线程任务代码
        System.out.println("线程运行中...");
    }
}

public class ThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

2. 实现Runnable接口

实现Runnable接口是创建线程最常见的方式之一，它提供了更大的灵活性，允许线程类继承其他类。

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 线程任务
        System.out.println("通过Runnable接口运行线程...");
    }
}

public class RunnableExample {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 启动线程
    }
}

3. 实现Callable接口与FutureTask

Callable接口类似于Runnable，但它可以返回执行结果，并且能抛出异常。

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

class MyCallable implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        // 返回执行结果
        return 123;
    }
}

public class CallableExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new MyCallable());
        Thread t = new Thread(futureTask);
        t.start(); // 启动线程

        // 获取执行结果
        Integer result = futureTask.get();
        System.out.println("Callable返回的结果: " + result);
    }
}

4. 使用线程池

Java的Executor框架提供了一个强大的线程池管理机制，能更高效地管理线程生命周期。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5); // 创建固定大小的线程池

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable worker = new MyRunnable();
            executor.execute(worker);  // 提交任务给线程池执行
        }
        
        executor.shutdown(); // 关闭线程池
        while (!executor.isTerminated()) {
            // 等待所有任务完成
        }
        
        System.out.println("所有线程已完成任务");
    }
}

总结

理解Java线程的状态及其转换是掌握Java并发编程的关键。正确地管理线程状态，合理利用同步机制，可以有效提高Java应用的性能和响应速度。探讨Java线程的六种状态、Java线程是如何工作的，Java创建线程【继承Thread类、实现Runnable接口、实现Callable接口与FutureTask、使用线程池】的所有方式

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  📫作者简介：嗨，大家好，我是 小明（小明Java问道之路），互联网大厂后端研发专家，2022博客之星TOP3 / 博客专家 / CSDN后端内容合伙人、InfoQ(极客时间)签约作者、阿里云签约博主、全网 6 万粉丝博主。

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