java 线程的几种状态

java thread的运行周期中, 有几种状态, 在 java.lang.Thread.State 中有详细定义和说明:

NEW 状态是指线程刚创建, 尚未启动

RUNNABLE 状态是线程正在正常运行中, 当然可能会有某种耗时计算/IO等待的操作/CPU时间片切换等, 这个状态下发生的等待一般是其他系统资源, 而不是锁, Sleep等

BLOCKED  这个状态下, 是在多个线程有同步操作的场景, 比如正在等待另一个线程的synchronized 块的执行释放, 或者可重入的 synchronized块里别人调用wait() 方法, 也就是这里是线程在等待进入临界区

WAITING  这个状态下是指线程拥有了某个锁之后, 调用了他的wait方法, 等待其他线程/锁拥有者调用 notify / notifyAll 一遍该线程可以继续下一步操作, 这里要区分 BLOCKED 和 WATING 的区别, 一个是在临界点外面等待进入, 一个是在理解点里面wait等待别人notify, 线程调用了join方法 join了另外的线程的时候, 也会进入WAITING状态, 等待被他join的线程执行结束

TIMED_WAITING  这个状态就是有限的(时间限制)的WAITING, 一般出现在调用wait(long), join(long)等情况下, 另外一个线程sleep后, 也会进入TIMED_WAITING状态

TERMINATED 这个状态下表示 该线程的run方法已经执行完毕了, 基本上就等于死亡了(当时如果线程被持久持有, 可能不会被回收)

下面谈谈如何让线程进入以上几种状态:

1. NEW, 这个最简单了,  
 
     static void NEW() {
          Thread t = new Thread ();
         System. out.println(t.getState());
    }
 
输出NEW
 
2. RUNNABLE, 也简单, 让一个thread start, 同时代码里面不要sleep或者wait等
 
   private static void RUNNABLE() {
         Thread t = new Thread(){
             
              public void run(){
                  for(int i=0; i<Integer.MAX_VALUE; i++){
                      System. out.println(i);
                 }
             }
             
         };
         
         t.start();
    }
 
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3. BLOCKED, 这个就必须至少两个线程以上, 然后互相等待synchronized 块
          
     private static void BLOCKED() {
         
          final Object lock = new Object();
         
         Runnable run = new Runnable() {
             
              @Override
              public void run() {
                  for(int i=0; i<Integer.MAX_VALUE; i++){
                      
                       synchronized (lock) {
                          System. out.println(i);
                      }
                      
                 }
             }
         };
         
         Thread t1 = new Thread(run);
         t1.setName( "t1");
         Thread t2 = new Thread(run);
         t2.setName( "t2");
         
         t1.start();
         t2.start();
         
    }
 
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这时候, 一个在RUNNABLE, 另一个就会在BLOCKED (等待另一个线程的 System.out.println.. 这是个IO操作, 属于系统资源, 不会造成WAITING等)
 
4. WAITING, 这个需要用到生产者消费者模型, 当生产者生产过慢的时候, 消费者就会等待生产者的下一次notify
 
     private static void WAITING() {
 
          final Object lock = new Object();
         Thread t1 = new Thread(){
              @Override
              public void run() {
                 
                  int i = 0;
                 
                  while(true ){
                       synchronized (lock) {
                           try {
                               lock.wait();
                          } catch (InterruptedException e) {
                          }
                          System. out.println(i++);
                      }
                 }
             }
         };
         
         Thread t2 = new Thread(){
              @Override
              public void run() {
                 
                  while(true ){
                       synchronized (lock) {
                           for(int i = 0; i< 10000000; i++){
                              System. out.println(i);
                          }
                          lock.notifyAll();
                      }
                      
                 }
             }
         };
         
         t1.setName( "^^t1^^");
         t2.setName( "^^t2^^");
         
         t1.start();
         t2.start();
    }
 
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5. TIMED_WAITING, 这个仅需要在4的基础上, 在wait方法加上一个时间参数进行限制就OK了.
 
把4中的synchronized 块改成如下就可以了.
 
synchronized (lock) {
   try {
      lock.wait(60 * 1000L);
   } catch (InterruptedException e) {
   }
   System. out .println(i++);
 }
 
 88d9047d8a709c2d63c695bcf58a0297
另外看stack的输出,  他叫 TIMED_WAITING(on  object monitor) , 说明括号后面还有其他的情况, 比如sleep, 我们直接把t2的for循环改成sleep试试:
 
synchronized (lock) {
    
    try {
          sleep(30*1000L);
    } catch (InterruptedException e) {
    }
    lock.notifyAll();
}
a37ef4c72c00e793f8b6c746d74fd4d9 
 
看到了吧, t2的state是 TIMED_WAITING( sleeping),  而t1依然是on object monitor , 因为t1还是wait在等待t2 notify, 而t2是自己sleep
 
另外, join操作也是进入 on object monitor
 
6. TERMINATED, 这个状态只要线程结束了run方法, 就会进入了...
 
    private static void TERMINATED() {
         Thread t1 = new Thread();
         t1.start();
         System. out.println(t1.getState());
          try {
             Thread. sleep(1000L);
         } catch (InterruptedException e) {
         }
         System. out.println(t1.getState());
    }
输出: 
RUNNABLE
TERMINATED
 
由于线程的start方法是异步启动的, 所以在其执行后立即获取状态有可能才刚进入RUN方法且还未执行完毕
 
 
废话了这么多, 了解线程的状态究竟有什么用?
所以说这是个钓鱼贴么...
 
好吧, 一句话, 在找到系统中的潜在性能瓶颈有作用.
 
当java系统运行慢的时候, 我们想到的应该先找到性能的瓶颈, 而jstack等工具, 通过jvm当前的stack可以看到当前整个vm所有线程的状态, 当我们看到一个线程状态经常处于
WAITING 或者 BLOCKED的时候, 要小心了, 他可能在等待资源经常没有得到释放(当然, 线程池的调度用的也是各种队列各种锁, 要区分一下, 比如下图)
6db341bbd7680bbc2e6ae37a66329397
这是个经典的并发包里面的线程池, 其调度队列用的是LinkedBlockingQueue, 执行take的时候会block住, 等待下一个任务进入队列中, 然后进入执行, 这种理论上不是系统的性能瓶颈, 找瓶颈一般先找自己的代码stack,再去排查那些开源的组件/JDK的问题
 
排查问题的几个思路:
 
0. 如何跟踪一个线程?
看到上面的stack输出没有, 第一行是内容是 threadName priority tid nid desc
更过跟踪tid, nid 都可以唯一找到该线程.
 
1. 发现有线程进入BLOCK, 而且持续好久, 这说明性能瓶颈存在于synchronized块中, 因为他一直block住, 进不去, 说明另一个线程一直没有处理好, 也就这个synchronized块中处理速度比较慢, 然后再深入查看. 当然也有可能同时block的线程太多, 排队太久造成.
 
2. 发现有线程进入WAITING, 而且持续好久, 说明性能瓶颈存在于触发notify的那段逻辑. 当然还有就是同时WAITING的线程过多, 老是等不到释放.
 
3. 线程进入TIME_WAITING 状态且持续好久的, 跟2的排查方式一样.
 
 
上面的黑底白字截图都是通过jstack打印出来的, 可以直接定位到你想知道的线程的执行栈, 这对java性能瓶颈的分析是有极大作用的.
 
NOTE: 上面所有代码都是为了跟踪线程的状态而写的, 千万不要在线上应用中这么写...

Java如何等待子线程执行结束

工作中往往会遇到异步去执行某段逻辑, 然后先处理其他事情, 处理完后再把那段逻辑的处理结果进行汇总的产景, 这时候就需要使用线程了。
一个线程启动之后, 是异步的去执行需要执行的内容的, 不会影响主线程的流程,  往往需要让主线程指定后, 等待子线程的完成. 这里有几种方式.
站在 主线程的角度, 我们可以分为主动式和被动式.
主动式指主线主动去检测某个标志位, 判断子线程是否已经完成. 被动式指主线程被动的等待子线程的结束, 很明显, 比较符合人们的胃口. 就是你事情做完了, 你告诉我, 我汇总一下, 哈哈.
那么主线程如何等待子线程工作完成呢. 很简单, Thread 类给我们提供了join 系列的方法, 这些方法的目的就是等待当前线程的die. 举个例子:

public class Threads {
    public static void main(String[] args) {
        SubThread thread = new SubThread();
        thread.start();
        //主线程处理其他工作,让子线程异步去执行.
        mainThreadOtherWork();
        System.out.println("now waiting sub thread done.");
        //主线程其他工作完毕,等待子线程的结束, 调用join系列的方法即可(可以设置超时时间)
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("now all done.");
    }

    private static void mainThreadOtherWork() {
        System.out.println("main thread work start");
        try {
            Thread.sleep(3000L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("main thread work done.");
    }

    public static class SubThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            working();
        }

        private void working() {
            System.out.println("sub thread start working.");
            busy();
            System.out.println("sub thread stop working.");
        }

        private void busy() {
            try {
                sleep(5000L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

本程序的数据有可能是如下:

main thread work start
sub thread start working.
main thread work done.
now waiting sub thread done.
sub thread stop working.
now all done.

忽略标号, 当然输出也有可能是1和2调换位置了. 这个我们是无法控制的. 我们看下线程的join操作, 究竟干了什么.

public final void join() throws InterruptedException {
   join(0);
}

这里是调用了

public final synchronized void join(long millis)
    throws InterruptedException

方法, 参数为0, 表示没有超时时间, 等到线程结束为止. join(millis)方法里面有这么一段代码:

        while (isAlive()) {
                wait(0);
        }

说明, 当线程处于活跃状态的时候, 会一直等待, 直到这里的isAlive方法返回false, 才会结束.isAlive方法是一个本地方法, 他的作用是判断线程是否已经执行结束. 注释是这么写的:

Tests if this thread is alive. A thread is alive if it has been started and has not yet died.

可见, join系列方法可以帮助我们等待一个子线程的结束.
那么要问, 有没有另外一种方法可以等待子线程结束? 当然有的, 我们可以使用并发包下面的Future模式.
Future是一个任务执行的结果, 他是一个将来时, 即一个任务执行, 立即异步返回一个Future对象, 等到任务结束的时候, 会把值返回给这个future对象里面. 我们可以使用ExecutorService接口来提交一个线程.

public class Threads {

    static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);

    @SuppressWarnings("rawtypes")
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        SubThread thread = new SubThread();
        // thread.start();
        Future future = executorService.submit(thread);
        mainThreadOtherWork();
        System.out.println("now waiting sub thread done.");
        future.get();
        // try {
        // thread.join();
        // } catch (InterruptedException e) {
        // e.printStackTrace();
        // }
        System.out.println("now all done.");
        executorService.shutdown();
    }

    private static void mainThreadOtherWork() {
        System.out.println("main thread work start");
        try {
            Thread.sleep(3000L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("main thread work done.");
    }

    public static class SubThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            working();
        }

        private void working() {
            System.out.println("sub thread start working.");
            busy();
            System.out.println("sub thread stop working.");
        }

        private void busy() {
            try {
                sleep(5000L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }

}

这里, ThreadPoolExecutor 是实现了 ExecutorService的方法, sumbit的过程就是把一个Runnable接口对象包装成一个 Callable接口对象, 然后放到 workQueue里等待调度执行. 当然, 执行的启动也是调用了thread的start来做到的, 只不过这里被包装掉了. 另外, 这里的thread是会被重复利用的, 所以这里要退出主线程, 需要执行以下shutdown方法以示退出使用线程池. 扯远了. 
这种方法是得益于Callable接口和Future模式, 调用future接口的get方法, 会同步等待该future执行结束, 然后获取到结果. Callbale接口的接口方法是 V call(); 是可以有返回结果的, 而Runnable的 void run(), 是没有返回结果的. 所以, 这里即使被包装成Callbale接口, future.get返回的结果也是null的.如果需要得到返回结果, 建议使用Callable接口.
通过队列来控制线程的进度, 是很好的一个理念. 我们完全可以自己搞个队列, 自己控制. 这样也可以实现. 不信看代码:

public class Threads {

    // static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
    static final BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        SubThread thread = new SubThread(queue);
        thread.start();
        // Future future = executorService.submit(thread);
        mainThreadOtherWork();
        System.out.println("now waiting sub thread done.");
        // future.get();
        queue.take();
        // try {
        // thread.join();
        // } catch (InterruptedException e) {
        // e.printStackTrace();
        // }
        System.out.println("now all done.");
        // executorService.shutdown();
    }

    private static void mainThreadOtherWork() {
        System.out.println("main thread work start");
        try {
            Thread.sleep(3000L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("main thread work done.");
    }

    public static class SubThread extends Thread {

        private BlockingQueue queue;

        /**
         * @param queue
         */
        public SubThread(BlockingQueue queue) {
            this.queue = queue;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                working();
            } finally {
                try {
                    queue.put(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

        }

        private void working() {
            System.out.println("sub thread start working.");
            busy();
            System.out.println("sub thread stop working.");
        }

        private void busy() {
            try {
                sleep(5000L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }

}

这里是得益于我们用了一个阻塞队列, 他的put操作和take操作都会阻塞(同步), 在满足条件的情况下.当我们调用take()方法时, 由于子线程还没结束, 队列是空的, 所以这里的take操作会阻塞, 直到子线程结束的时候, 往队列里面put了个元素, 表明自己结束了. 这时候主线程的take()就会返回他拿到的数据. 当然, 他拿到什么我们是不必去关心的.
以上几种情况都是针对子线程只有1个的时候. 当子线程有多个的时候, 情况就不妙了.
第一种方法, 你要调用很多个线程的join, 特别是当你的线程不是for循环创建的, 而是一个一个创建的时候.
第二种方法, 要调用很多的future的get方法, 同第一种方法.
第三种方法, 比较方便一些, 只需要每个线程都在queue里面 put一个元素就好了.但是, 第三种方法, 这个队列里的对象, 对我们是毫无用处, 我们为了使用队列, 而要不明不白浪费一些内存, 那有没有更好的办法呢?
有的, concurrency包里面提供了好多有用的东东, 其中, CountDownLanch就是我们要用的.
CountDownLanch 是一个倒数计数器, 给一个初始值(>=0), 然后每countDown一次就会减1, 这很符合等待多个子线程结束的场景: 一个线程结束的时候, countDown一次, 直到所有都countDown了 , 那么所有子线程就都结束了.
先看看CountDownLanch有哪些方法:

CountDownLatch

await: 会阻塞等待计数器减少到0位置. 带参数的await是多了等待时间.
countDown: 将当前的技术减1
getCount(): 返回当前的计数
显而易见, 我们只需要在子线程执行之前, 赋予初始化countDownLanch, 并赋予线程数量为初始值.
每个线程执行完毕的时候, 就countDown一下.主线程只需要调用await方法, 可以等待所有子线程执行结束, 看代码:

public class Threads {
// static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
    static final BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(1);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        int threads = 5;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
        for(int i=0;i < threads;i++){
            SubThread thread = new SubThread(2000*(i+1), countDownLatch);
            thread.start();
        }
        mainThreadOtherWork();
        System.out.println("now waiting sub thread done.");
        countDownLatch.await();
        System.out.println("now all done.");
    }

    private static void mainThreadOtherWork() {
        System.out.println("main thread work start");
        try {
            Thread.sleep(3000L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("main thread work done.");
    }

    public static class SubThread extends Thread{

        // private BlockingQueue queue;
        private CountDownLatch countDownLatch;
        private long work;


        public SubThread(long work, CountDownLatch countDownLatch) {
            // this.queue = queue;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
            this.work = work;
        }

        @Override
        public void run() {
            try{
                working();
            }finally{
                countDownLatch.countDown();
            }
        }

        private void working() {
            System.out.println(getName()+" sub thread start working.");
            busy();
            System.out.println(getName()+" sub thread stop working.");
        }

        private void busy() {
            try {
                sleep(work);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

此种方法也适用于使用 ExecutorService summit 的任务的执行.
另外还有一个并发包的类CyclicBarrier, 这个是(子)线程之间的互相等待的利器. 栅栏, 就是把大家都在一个地方堵住, 就像水闸, 等大家都完成了之前的操作, 在一起继续下面的操作. 不过就不再本篇的讨论范围内了.