Java 线程状态详解

1 引言

在 Java 多线程编程中，线程的状态是一个非常重要的概念。了解线程的状态及其转换过程，有助于我们更好地理解和控制线程的行为。本文将详细介绍 Java 线程的 6 种状态，并通过示例代码和图解来帮助读者更好地理解这些状态及其转换过程。

2 操作系统中的线程状态

在操作系统中，线程被视为轻量级的进程，因此线程状态和进程状态是一致的。操作系统中的线程主要有以下三个状态：

  1. 就绪状态（Ready）：线程正在等待使用 CPU，经调度程序调用之后进入运行状态。
  2. 执行状态（Running）：线程正在使用 CPU。
  3. 等待状态（Waiting）：线程经过等待事件的调用或者正在等待其他资源（如 I/O）。

3 Java 线程的 6 种状态

Java 线程的状态定义在 Thread.State 枚举中，共有 6 种状态：

public enum State {NEW,RUNNABLE,BLOCKED,WAITING,TIMED_WAITING,TERMINATED;
}

3.1 NEW

处于 NEW 状态的线程此时尚未启动。这里的尚未启动指的是还没调用 Thread 实例的 start() 方法。

private void testStateNew() {Thread thread = new Thread(() -> {});System.out.println(thread.getState()); // 输出 NEW
}

从上面的代码可以看出，只是创建了线程而并没有调用 start 方法，此时线程处于 NEW 状态。

3.1.1 关于 start() 方法的两个引申问题

  1. 反复调用同一个线程的 start 方法是否可行？
  2. 假如一个线程执行完毕（此时处于 TERMINATED 状态），再次调用这个线程的 start 方法是否可行？

要分析这两个问题，我们先来看看 start() 方法的源码：

// 使用 synchronized 关键字保证这个方法是线程安全的
public synchronized void start() {// threadStatus != 0 表示这个线程已经被启动过或已经结束了// 如果试图再次启动这个线程，就会抛出 IllegalThreadStateException 异常if (threadStatus != 0)throw new IllegalThreadStateException();// 将这个线程添加到当前线程的线程组中group.add(this);// 声明一个变量，用于记录线程是否启动成功boolean started = false;try {// 使用 native 方法启动这个线程start0();// 如果没有抛出异常，那么 started 被设为 true，表示线程启动成功started = true;} finally {// 在 finally 语句块中，无论 try 语句块中的代码是否抛出异常，都会执行try {// 如果线程没有启动成功，就从线程组中移除这个线程if (!started) {group.threadStartFailed(this);}} catch (Throwable ignore) {// 如果在移除线程的过程中发生了异常，我们选择忽略这个异常}}
}

在 start() 方法内部，有一个 threadStatus 变量。如果它不等于 0，调用 start() 方法会直接抛出 IllegalThreadStateException 异常。

接着往下看，有一个 native 的 start0() 方法。这个方法并没有对 threadStatus 进行处理。通过 debug 可以进一步了解 threadStatus 的变化：

@Test
public void testStartMethod() {Thread thread = new Thread(() -> {});thread.start(); // 第一次调用thread.start(); // 第二次调用
}

在 start 方法内部的最开始打断点：

  • 第一次调用时 threadStatus 的值是 0。
  • 第二次调用时 threadStatus 的值不为 0。

查看当前线程状态的源码：

// Thread.getState 方法源码：
public State getState() {// get current thread statereturn sun.misc.VM.toThreadState(threadStatus);
}// sun.misc.VM 源码：
// 如果线程的状态值和4做位与操作结果不为0，线程处于RUNNABLE状态。
// 如果线程的状态值和1024做位与操作结果不为0，线程处于BLOCKED状态。
// 如果线程的状态值和16做位与操作结果不为0，线程处于WAITING状态。
// 如果线程的状态值和32做位与操作结果不为0，线程处于TIMED_WAITING状态。
// 如果线程的状态值和2做位与操作结果不为0，线程处于TERMINATED状态。
// 最后，如果线程的状态值和1做位与操作结果为0，线程处于NEW状态，否则线程处于RUNNABLE状态
public static State toThreadState(int var0) {if ((var0 & 4) != 0) {return State.RUNNABLE;} else if ((var0 & 1024) != 0) {return State.BLOCKED;} else if ((var0 & 16) != 0) {return State.WAITING;} else if ((var0 & 32) != 0) {return State.TIMED_WAITING;} else if ((var0 & 2) != 0) {return State.TERMINATED;} else {return (var0 & 1) == 0 ? State.NEW : State.RUNNABLE;}
}

结合上面的源码可以得到的答案是：

  • 反复调用同一个线程的 start 方法是否可行？

    • 不行，在调用 start 之后，threadStatus 的值会改变（threadStatus != 0），再次调用 start 方法会抛出 IllegalThreadStateException 异常。

  • 假如一个线程执行完毕（此时处于 TERMINATED 状态），再次调用这个线程的 start 方法是否可行？

    • 不行，threadStatus 为 2 代表当前线程状态为 TERMINATED，再次调用 start 方法会抛出 IllegalThreadStateException 异常。

3.2 RUNNABLE

表示当前线程正在运行中。处于 RUNNABLE 状态的线程在 Java 虚拟机中运行，也有可能在等待 CPU 分配资源。

/*** Thread state for a runnable thread.  A thread in the runnable* state is executing in the Java virtual machine but it may* be waiting for other resources from the operating system* such as processor.*/

也就是说，Java 线程的RUNNABLE状态其实包括了操作系统线程的ready和running两个状态。

3.3 BLOCKED

阻塞状态。处于 BLOCKED 状态的线程正等待锁的释放以进入同步区。

@Test
public void blockedTest() {Thread a = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "a");Thread b = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "b");a.start();b.start();System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出？System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState()); // 输出？
}private synchronized void testMethod() {try {Thread.sleep(2000L);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
}

3.4 WAITING

等待状态。处于等待状态的线程变成 RUNNABLE 状态需要其他线程唤醒。

调用以下方法会使线程进入等待状态：

  • Object.wait()：使当前线程处于等待状态直到另一个线程唤醒它；
  • Thread.join()：等待线程执行完毕，底层调用的是 Object 的 wait 方法；
  • LockSupport.park()：除非获得调用许可，否则禁用当前线程进行线程调度。

3.5 TIMED_WAITING

超时等待状态。线程等待一个具体的时间，时间到后会被自动唤醒。

调用以下方法会使线程进入超时等待状态：

  • Thread.sleep(long millis)：使当前线程睡眠指定时间；
  • Object.wait(long timeout)：线程休眠指定时间，等待期间可以通过notify()/notifyAll()唤醒；
  • Thread.join(long millis)：等待当前线程最多执行 millis 毫秒，如果 millis 为 0，则会一直执行；
  • LockSupport.parkNanos(long nanos)：除非获得调用许可，否则禁用当前线程进行线程调度指定时间；
  • LockSupport.parkUntil(long deadline)：同上，也是禁止线程进行调度指定时间。

3.6 TERMINATED

终止状态。此时线程已执行完毕。

4 线程状态的转换

线程状态的转换可以通过以下图示来理解：

在这里插入图片描述

4.1 BLOCKED 与 RUNNABLE 状态的转换

处于 BLOCKED 状态的线程在等待锁的释放。假设有两个线程 a 和 b，a 线程提前获得了锁并暂未释放锁，此时 b 线程就处于 BLOCKED 状态。我们来看一个例子：

@Test
public void blockedTest() {Thread a = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "a");Thread b = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "b");a.start();b.start();System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出？System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState()); // 输出？
}// 同步方法争夺锁
private synchronized void testMethod() {try {Thread.sleep(2000L);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
}

初看之下，大家可能会觉得线程 a 会先调用同步方法，同步方法内又调用了 Thread.sleep() 方法，必然会输出 TIMED_WAITING，而线程 b 因为等待线程 a 释放锁所以必然会输出 BLOCKED。

其实不然，有两点需要值得大家注意：

  1. 在测试方法 blockedTest() 内还有一个 main 线程。
  2. 启动线程后执行 run 方法还是需要消耗一定时间的。

测试方法的 main 线程只保证了 a 和 b 两个线程调用 start 方法（转化为 RUNNABLE 状态），如果 CPU 执行效率高一点，还没等两个线程真正开始争夺锁，就已经打印此时两个线程的状态（RUNNABLE）了。

当然，如果 CPU 执行效率低一点，其中某个线程也是可能打印出 BLOCKED 状态的（此时两个线程已经开始争夺锁了）。

为了确保打印出 BLOCKED 状态，我们可以让 main 线程“休息一会儿”，调用 Thread.sleep() 方法。

public void blockedTest() throws InterruptedException {Thread a = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "a");Thread b = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "b");a.start();Thread.sleep(1000L); // 需要注意这里main线程休眠了1000毫秒，而testMethod()里休眠了2000毫秒b.start();System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出？System.out.println(b.getName() + ":" + b.getState()); // 输出？
}

在这个例子中两个线程的状态转换如下：

  • a 的状态转换过程：RUNNABLE（a.start()） -> TIMED_WAITING（Thread.sleep()） -> RUNNABLE（sleep() 时间到） -> BLOCKED（未抢到锁） -> TERMINATED
  • b 的状态转换过程：RUNNABLE（b.start()） -> BLOCKED（未抢到锁） -> TERMINATED

4.2 WAITING 状态与 RUNNABLE 状态的转换

根据转换图我们知道有 3 个方法可以使线程从 RUNNABLE 状态转为 WAITING 状态。我们主要介绍下 Object.wait() 和 Thread.join()。

4.2.1 Object.wait()

调用 wait() 方法前线程必须持有对象的锁。线程调用 wait() 方法时，会释放当前的锁，直到有其他线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法唤醒等待锁的线程。

需要注意的是，其他线程调用 notify() 方法只会唤醒单个等待锁的线程，如有多个线程都在等待这个锁的话不一定会唤醒到之前调用 wait() 方法的线程。同样，调用 notifyAll() 方法唤醒所有等待锁的线程之后，也不一定会马上把时间片分给刚才放弃锁的那个线程，具体要看系统的调度。

4.2.2 Thread.join()

调用 join() 方法，会一直等待这个线程执行完毕（转换为 TERMINATED 状态）。

我们再把上面的例子线程启动那里改变一下：

public void blockedTest() {Thread a = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "a");Thread b = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "b");a.start();a.join();b.start();System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出 TERMINATEDSystem.out.println(b.getName() + ":" + b.getState());
}

如果没有调用 join 方法，main 线程不管 a 线程是否执行完毕都会继续往下走。a 线程启动之后马上调用了 join 方法，这里 main 线程就会等到 a 线程执行完毕，所以这里 a 线程打印的状态固定是 TERMINATED。至于 b 线程的状态，有可能打印 RUNNABLE（尚未进入同步方法），也有可能打印 TIMED_WAITING（进入了同步方法）。

4.3 TIMED_WAITING 与 RUNNABLE 状态的转换

TIMED_WAITING 与 WAITING 状态类似，只是 TIMED_WAITING 状态等待的时间是指定的。

4.3.1 Thread.sleep(long)

使当前线程睡眠指定时间。需要注意这里的“睡眠”只是暂时使线程停止执行，并不会释放锁。时间到后，线程会重新进入 RUNNABLE 状态。

4.3.2 Object.wait(long)

wait(long) 方法使线程进入 TIMED_WAITING 状态。这里的 wait(long) 方法与无参方法 wait() 相同的地方是，都可以通过其他线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法来唤醒。不同的地方是，有参方法 wait(long) 就算其他线程不来唤醒它，经过指定时间 long 之后它会自动唤醒，拥有去争夺锁的资格。

4.3.3 Thread.join(long)

join(long) 使当前线程执行指定时间，并且使线程进入 TIMED_WAITING 状态。

我们再来改一改刚才的示例：

public void blockedTest() {Thread a = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "a");Thread b = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {testMethod();}}, "b");a.start();a.join(1000L);b.start();System.out.println(a.getName() + ":" + a.getState()); // 输出 TIMED_WAITINGSystem.out.println(b.getName() + ":" + b.getState());
}

这里调用 a.join(1000L)，因为是指定了具体 a 线程执行的时间的，并且执行时间是小于 a 线程 sleep 的时间，所以 a 线程状态输出 TIMED_WAITING。b 线程状态仍然不固定（RUNNABLE 或 BLOCKED）。

4.4 线程中断

Java 提供了线程中断机制来处理需要中断线程的情况。线程中断机制是一种协作机制，通过中断操作并不能直接终止一个线程，而是通知需要被中断的线程自行处理。

Thread.interrupt()：中断线程。这里的中断线程并不会立即停止线程，而是设置线程的中断状态为 true（默认是 flase）；
Thread.isInterrupted()：测试当前线程是否被中断。
Thread.interrupted()：检测当前线程是否被中断，与 isInterrupted() 方法不同的是，这个方法如果发现当前线程被中断，会清除线程的中断状态。

5 总结

本文详细解析了 Java 线程的 6 种状态 — 新建、运行、阻塞、等待、定时等待和终止，以及这些状态之间的切换过程。通过示例代码和图解，帮助读者更好地理解线程状态及其转换过程。掌握这些知识，有助于我们在实际开发中更好地控制和管理线程。

6 思维导图

在这里插入图片描述

7 参考资料

  • Java 官方文档
  • Java 并发编程实战
  • Java线程的6种状态及切换(透彻讲解)

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