今天我们来深入聊聊线程，相信大家对于线程这个概念都不陌生，它是 Java 并发的基础元素，理解、操纵、诊断线程是 Java 工程师的必修课，但是你真的掌握线程了吗？

今天我要问你的问题是，一个线程两次调用 start() 方法会出现什么情况？谈谈线程的生命周期和状态转移。

典型回答

Java 的线程是不允许启动两次的，第二次调用必然会抛出 IllegalThreadStateException，这是一种运行时异常，多次调用 start 被认为是编程错误。

关于线程生命周期的不同状态，在 Java 5 以后，线程状态被明确定义在其公共内部枚举类型 java.lang.Thread.State 中，分别是：

  • 新建（NEW），表示线程被创建出来还没真正启动的状态，可以认为它是个 Java 内部状态。
  • 就绪（RUNNABLE），表示该线程已经在 JVM 中执行，当然由于执行需要计算资源，它可能是正在运行，也可能还在等待系统分配给它 CPU 片段，在就绪队列里面排队。
  • 在其他一些分析中，会额外区分一种状态 RUNNING，但是从 Java API 的角度，并不能表示出来。
  • 阻塞（BLOCKED），这个状态和我们前面两讲介绍的同步非常相关，阻塞表示线程在等待 Monitor lock。比如，线程试图通过 synchronized 去获取某个锁，但是其他线程已经独占了，那么当前线程就会处于阻塞状态。
  • 等待（WAITING），表示正在等待其他线程采取某些操作。一个常见的场景是类似生产者消费者模式，发现任务条件尚未满足，就让当前消费者线程等待（wait），另外的生产者线程去准备任务数据，然后通过类似 notify 等动作，通知消费线程可以继续工作了。Thread.join() 也会令线程进入等待状态。
  • 计时等待（TIMED_WAIT），其进入条件和等待状态类似，但是调用的是存在超时条件的方法，比如 wait 或 join 等方法的指定超时版本，如下面示例：
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
  • 终止（TERMINATED），不管是意外退出还是正常执行结束，线程已经完成使命，终止运行，也有人把这个状态叫作死亡。

在第二次调用 start() 方法的时候，线程可能处于终止或者其他（非 NEW）状态，但是不论如何，都是不可以再次启动的。

考点分析

今天的问题可以算是个常见的面试热身题目，前面的给出的典型回答，算是对基本状态和简单流转的一个介绍，如果觉得还不够直观，我在下面分析会对比一个状态图进行介绍。总的来说，理解线程对于我们日常开发或者诊断分析，都是不可或缺的基础。

面试官可能会以此为契机，从各种不同角度考察你对线程的掌握：

  • 相对理论一些的面试官可以会问你线程到底是什么以及 Java 底层实现方式。
  • 线程状态的切换，以及和锁等并发工具类的互动。
  • 线程编程时容易踩的坑与建议等。

可以看出，仅仅是一个线程，就有非常多的内容需要掌握。我们选择重点内容，开始进入详细分析。

知识扩展

首先，我们来整体看一下线程是什么？

从操作系统的角度，可以简单认为，线程是系统调度的最小单元，一个进程可以包含多个线程，作为任务的真正运作者，有自己的栈（Stack）、寄存器（Register）、本地存储（Thread Local）等，但是会和进程内其他线程共享文件描述符、虚拟地址空间等。

在具体实现中，线程还分为内核线程、用户线程，Java 的线程实现其实是与虚拟机相关的。对于我们最熟悉的 Sun/Oracle JDK，其线程也经历了一个演进过程，基本上在 Java 1.2 之后，JDK 已经抛弃了所谓的Green Thread，也就是用户调度的线程，现在的模型是一对一映射到操作系统内核线程。

如果我们来看 Thread 的源码，你会发现其基本操作逻辑大都是以 JNI 形式调用的本地代码。

private native void start0();
private native void setPriority0(int newPriority);
private native void interrupt0();

这种实现有利有弊，总体上来说，Java 语言得益于精细粒度的线程和相关的并发操作，其构建高扩展性的大型应用的能力已经毋庸置疑。但是，其复杂性也提高了并发编程的门槛，近几年的 Go 语言等提供了协程（coroutine），大大提高了构建并发应用的效率。于此同时，Java 也在Loom项目中，孕育新的类似轻量级用户线程（Fiber）等机制，也许在不久的将来就可以在新版 JDK 中使用到它。

下面，我来分析下线程的基本操作。如何创建线程想必你已经非常熟悉了，请看下面的例子：

Runnable task = () -> {System.out.println("Hello World!");};
Thread myThread = new Thread(task);
myThread.start();
myThread.join();

我们可以直接扩展 Thread 类，然后实例化。但在本例中，我选取了另外一种方式，就是实现一个 Runnable，将代码逻放在 Runnable 中，然后构建 Thread 并启动（start），等待结束（join）。

Runnable 的好处是，不会受 Java 不支持类多继承的限制，重用代码实现，当我们需要重复执行相应逻辑时优点明显。而且，也能更好的与现代 Java 并发库中的 Executor 之类框架结合使用，比如将上面 start 和 join 的逻辑完全写成下面的结构：

Future future = Executors.newFixedThreadPool(1)
.submit(task)
.get();

这样我们就不用操心线程的创建和管理，也能利用 Future 等机制更好地处理执行结果。线程生命周期通常和业务之间没有本质联系，混淆实现需求和业务需求，就会降低开发的效率。

从线程生命周期的状态开始展开，那么在 Java 编程中，有哪些因素可能影响线程的状态呢？主要有：

  • 线程自身的方法，除了 start，还有多个 join 方法，等待线程结束；yield 是告诉调度器，主动让出 CPU；另外，就是一些已经被标记为过时的 resume、stop、suspend 之类，据我所知，在 JDK 最新版本中，destory/stop 方法将被直接移除。
  • 基类 Object 提供了一些基础的 wait/notify/notifyAll 方法。如果我们持有某个对象的 Monitor 锁，调用 wait 会让当前线程处于等待状态，直到其他线程 notify 或者 notifyAll。所以，本质上是提供了 Monitor 的获取和释放的能力，是基本的线程间通信方式。
  • 并发类库中的工具，比如 CountDownLatch.await() 会让当前线程进入等待状态，直到 latch 被基数为 0，这可以看作是线程间通信的 Signal。

我这里画了一个状态和方法之间的对应图：

image-20220911075709369

Thread 和 Object 的方法，听起来简单，但是实际应用中被证明非常晦涩、易错，这也是为什么 Java 后来又引入了并发包。总的来说，有了并发包，大多数情况下，我们已经不再需要去调用 wait/notify 之类的方法了。

前面谈了不少理论，下面谈谈线程 API 使用，我会侧重于平时工作学习中，容易被忽略的一些方面。

先来看看守护线程（Daemon Thread），有的时候应用中需要一个长期驻留的服务程序，但是不希望其影响应用退出，就可以将其设置为守护线程，如果 JVM 发现只有守护线程存在时，将结束进程，具体可以参考下面代码段。注意，必须在线程启动之前设置。

Thread daemonThread = new Thread();
daemonThread.setDaemon(true);
daemonThread.start();

再来看看Spurious wakeup。尤其是在多核 CPU 的系统中，线程等待存在一种可能，就是在没有任何线程广播或者发出信号的情况下，线程就被唤醒，如果处理不当就可能出现诡异的并发问题，所以我们在等待条件过程中，建议采用下面模式来书写。

// 推荐
while ( isCondition()) {
waitForAConfition(...);
}

// 不推荐，可能引入 bug
if ( isCondition()) {
waitForAConfition(...);
}

Thread.onSpinWait()，这是 Java 9 中引入的特性。我在专栏第 16 讲给你留的思考题中，提到“自旋锁”（spin-wait, busy-waiting），也可以认为其不算是一种锁，而是一种针对短期等待的性能优化技术。“onSpinWait()”没有任何行为上的保证，而是对 JVM 的一个暗示，JVM 可能会利用 CPU 的 pause 指令进一步提高性能，性能特别敏感的应用可以关注。

再有就是慎用ThreadLocal，这是 Java 提供的一种保存线程私有信息的机制，因为其在整个线程生命周期内有效，所以可以方便地在一个线程关联的不同业务模块之间传递信息，比如事务 ID、Cookie 等上下文相关信息。

它的实现结构，可以参考源码，数据存储于线程相关的 ThreadLocalMap，其内部条目是弱引用，如下面片段。

static class ThreadLocalMap {
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
        value = v;
        }
      }
   // …
}

当 Key 为 null 时，该条目就变成“废弃条目”，相关“value”的回收，往往依赖于几个关键点，即 set、remove、rehash。

下面是 set 的示例，我进行了精简和注释：

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    for (Entry e = tab[i];; …) {
        //…
        if (k == null) {
// 替换废弃条目
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
       }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
//  扫描并清理发现的废弃条目，并检查容量是否超限
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();// 清理废弃条目，如果仍然超限，则扩容（加倍）
}

具体的清理逻辑是实现在 cleanSomeSlots 和 expungeStaleEntry 之中，如果你有兴趣可以自行阅读。

结合专栏第 4 讲介绍的引用类型，我们会发现一个特别的地方，通常弱引用都会和引用队列配合清理机制使用，但是 ThreadLocal 是个例外，它并没有这么做。

这意味着，废弃项目的回收依赖于显式地触发，否则就要等待线程结束，进而回收相应 ThreadLocalMap！这就是很多 OOM 的来源，所以通常都会建议，应用一定要自己负责 remove，并且不要和线程池配合，因为 worker 线程往往是不会退出的。

今天，我介绍了线程基础，分析了生命周期中的状态和各种方法之间的对应关系，这也有助于我们更好地理解 synchronized 和锁的影响，并介绍了一些需要注意的操作，希望对你有所帮助。

一课一练

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？今天我准备了一个有意思的问题，写一个最简单的打印 HelloWorld 的程序，说说看，运行这个应用，Java 至少会创建几个线程呢？然后思考一下，如何明确验证你的结论，真实情况很可能令你大跌眼镜哦。

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最后修改日期: 2022年9月16日

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