JDK源码解析之 java.lang.Thread

位于java.lang包下的Thread类是非常重要的线程类，它实现了Runnable接口，今天我们来学习一下Thread类，在学习Thread类之前，先介绍与线程相关知识：线程的几种状态、上下文切换，然后接着介绍Thread类中的方法的具体使用

一、线程的状态

线程从创建到最终的消亡，要经历若干个状态。一般来说，线程包括以下这几个状态：

创建(new)、就绪(runnable)、运行(running)、阻塞(blocked)、time waiting、waiting、消亡（dead）

当需要新起一个线程来执行某个子任务时，就创建了一个线程。但是线程创建之后，不会立即进入就绪状态，因为线程的运行需要一些条件（比如内存资源，譬如程序计数器、Java栈、本地方法栈都是线程私有的，所以需要为线程分配一定的内存空间），只有线程运行需要的所有条件满足了，才进入就绪状态。

当线程进入就绪状态后，不代表立刻就能获取CPU执行时间，也许此时CPU正在执行其他的事情，因此它要等待。当得到CPU执行时间之后，线程便真正进入运行状态。

线程在运行状态过程中，可能有多个原因导致当前线程不继续运行下去，比如用户主动让线程睡眠（睡眠一定的时间之后再重新执行）、用户主动让线程等待，或者被同步块给阻塞，此时就对应着多个状态：time waiting（睡眠或等待一定的事件）、waiting（等待被唤醒）、blocked（阻塞）。

当由于突然中断或者子任务执行完毕，线程就会被消亡。

下面这副图描述了线程从创建到消亡之间的状态：

在有些教程上将blocked、waiting、time waiting统称为阻塞状态，这个也是可以的，只不过这里我想将线程的状态和Java中的方法调用联系起来，所以将waiting和time waiting两个状态分离出来。

二、上下文切换

对于单核CPU来说（对于多核CPU，此处就理解为一个核），CPU在一个时刻只能运行一个线程，当在运行一个线程的过程中转去运行另外一个线程，这个叫做线程上下文切换（对于进程也是类似）。

由于可能当前线程的任务并没有执行完毕，所以在切换时需要保存线程的运行状态，以便下次重新切换回来时能够继续切换之前的状态运行。举个简单的例子：比如一个线程A正在读取一个文件的内容，正读到文件的一半，此时需要暂停线程A，转去执行线程B，当再次切换回来执行线程A的时候，我们不希望线程A又从文件的开头来读取。

因此需要记录线程A的运行状态，那么会记录哪些数据呢？因为下次恢复时需要知道在这之前当前线程已经执行到哪条指令了，所以需要记录程序计数器的值，另外比如说线程正在进行某个计算的时候被挂起了，那么下次继续执行的时候需要知道之前挂起时变量的值时多少，因此需要记录CPU寄存器的状态。所以一般来说，线程上下文切换过程中会记录程序计数器、CPU寄存器状态等数据。

说简单点的：对于线程的上下文切换实际上就是存储和恢复CPU状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。

虽然多线程可以使得任务执行的效率得到提升，但是由于在线程切换时同样会带来一定的开销代价，并且多个线程会导致系统资源占用的增加，所以在进行多线程编程时要注意这些因素。

三、类定义

class Thread implements Runnable {}

Thread实现了Runnable接口，Runnable接口是线程辅助类，仅定义了一个方法run()方法，用于实现多线程

四、成员变量

//线程的名字
private volatile String name;
//线程的优先级
private int            priority;private Thread         threadQ;
private long           eetop;/* Whether or not to single_step this thread. */
private boolean     single_step;//是否守护进程
private boolean     daemon = false;/* JVM state */
private boolean     stillborn = false;//将要执行的任务
private Runnable target;//线程组表示一个线程的集合。此外，线程组也可以包含其他线程组。线程组构成一棵树，在树中，除了初始线程组外，每个线程组都有一个父线程组。
private ThreadGroup group;/* The context ClassLoader for this thread */
private ClassLoader contextClassLoader;/* The inherited AccessControlContext of this thread */
private AccessControlContext inheritedAccessControlContext;//第几个线程，在init初始化线程的时候用来赋给thread.name
private static int threadInitNumber;ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;/** InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is* maintained by the InheritableThreadLocal class.*/ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;/** The requested stack size for this thread, or 0 if the creator did* not specify a stack size.  It is up to the VM to do whatever it* likes with this number; some VMs will ignore it.*/private long stackSize;/** JVM-private state that persists after native thread termination.*/private long nativeParkEventPointer;// Thread ID
private long tid;// 用来生成Thread ID使用
private static long threadSeqNumber;//线程从创建到最终的消亡，要经历若干个状态。
// 一般来说，线程包括以下这几个状态：创建(new)、就绪(runnable)、运行(running)、阻塞(blocked)、time waiting、waiting、消亡（dead）
private volatile int threadStatus = 0;

五、常用方法

关系到线程运行状态的几个方法：

1.start方法

start()用来启动一个线程，当调用start方法后，系统才会开启一个新的线程来执行用户定义的子任务，在这个过程中，会为相应的线程分配需要的资源。

public synchronized void start() {if (threadStatus != 0)throw new IllegalThreadStateException();group.add(this);boolean started = false;try {start0();started = true;} finally {try {if (!started) {group.threadStartFailed(this);}} catch (Throwable ignore) {/* do nothing. If start0 threw a Throwable thenit will be passed up the call stack */}}
}

2.run方法

run()方法是不需要用户来调用的，当通过start方法启动一个线程之后，当线程获得了CPU执行时间，便进入run方法体去执行具体的任务。注意，继承Thread类必须重写run方法，在run方法中定义具体要执行的任务。

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

3.sleep方法

sleep相当于让线程睡眠，交出CPU，让CPU去执行其他的任务。

如果需要让当前正在执行的线程暂停一段时间，并进入阻塞状态，则可以通过调用Thread类的静态sleep()方法来实现。

当当前线程调用sleep()方法进入阻塞状态后，在其睡眠时间内，该线程不会获得执行机会，即使系统中没有其他可执行线程，处于sleep()中的线程也不会执行，因此sleep()方法常用来暂停程序的执行

但是有一点要非常注意，sleep方法不会释放锁，也就是说如果当前线程持有对某个对象的锁，则即使调用sleep方法，其他线程也无法访问这个对象。

sleep方法有两个重载版本：

public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException; //参数为毫秒

public static void sleep(long millis, int nanos)//第一参数为毫秒，第二个参数为纳
throws InterruptedException {if (millis < 0) {throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");}if (nanos < 0 || nanos > 999999) {throw new IllegalArgumentException("nanosecond timeout value out of range");}if (nanos >= 500000 || (nanos != 0 && millis == 0)) {millis++;}sleep(millis);
}

4.yield方法

为本地方法，也就是说 yield() 是由 C 或 C++ 实现的，yield()方法和sleep()方法有点相似，它也是Thread类提供的一个静态方法，它也可以让当前正在执行的线程暂停，但它不会阻塞该线程，它只是将该线程转入到就绪状态。即让当前线程暂停一下，让系统的线程调度器重新调度一次，完全可能的情况是：当某个线程调用了yield()方法暂停之后，线程调度器又将其调度出来重新执行。

调用yield方法会让当前线程交出CPU权限，让CPU去执行其他的线程。它跟sleep方法类似，同样不会释放锁。但是yield不能控制具体的交出CPU的时间，另外，当某个线程调用了yield()方法之后，只有优先级与当前线程相同或者比当前线程更高的处于就绪状态的线程才会获得执行机会。

注意，调用yield方法并不会让线程进入阻塞状态，而是让线程重回就绪状态，它只需要等待重新获取CPU执行时间，这一点是和sleep方法不一样的。

public static native void yield();

5.join方法

join方法有三个重载版本：

public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {long base = System.currentTimeMillis();long now = 0;if (millis < 0) {throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");}if (millis == 0) {while (isAlive()) {wait(0);}} else {while (isAlive()) {long delay = millis - now;if (delay <= 0) {break;}wait(delay);now = System.currentTimeMillis() - base;}}
}

参数为毫秒

public final synchronized void join(long millis, int nanos)
throws InterruptedException {if (millis < 0) {throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");}if (nanos < 0 || nanos > 999999) {throw new IllegalArgumentException("nanosecond timeout value out of range");}if (nanos >= 500000 || (nanos != 0 && millis == 0)) {millis++;}join(millis);
}

第一参数为毫秒，第二个参数为纳秒

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

假如在main线程中，调用thread.join方法，则main方法会等待thread线程执行完毕或者等待一定的时间。如果调用的是无参join方法，则等待thread执行完毕，如果调用的是指定了时间参数的join方法，则等待一定的事件。

6.interrupt方法

interrupt，顾名思义，即中断的意思。单独调用interrupt方法可以使得处于阻塞状态的线程抛出一个异常，也就说，它可以用来中断一个正处于阻塞状态的线程；另外，通过interrupt方法和isInterrupted()方法来停止正在运行的线程。

public void interrupt() {if (this != Thread.currentThread())checkAccess();synchronized (blockerLock) {Interruptible b = blocker;if (b != null) {interrupt0();           // Just to set the interrupt flagb.interrupt(this);return;}}interrupt0();
}

7.interrupted方法

interrupted()函数是Thread静态方法，用来检测当前线程的interrupt状态，检测完成后，状态清空。通过下面的interrupted源码我们能够知道，此方法首先调用isInterrupted方法，而isInterrupted方法是一个重载的native方法private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted) 通过方法的注释能够知道，用来测试线程是否已经中断，参数用来决定是否重置中断标志。

public static boolean interrupted() {return currentThread().isInterrupted(true);
}public boolean isInterrupted() {return isInterrupted(false);
}private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted);

关系到线程属性的几个方法：

8.getId

用来得到线程ID

9.getName和setName

用来得到或者设置线程名称。

10.getPriority和setPriority

用来获取和设置线程优先级。

11.setDaemon和isDaemon

用来设置线程是否成为守护线程和判断线程是否是守护线程。

守护线程和用户线程的区别在于：守护线程依赖于创建它的线程，而用户线程则不依赖。举个简单的例子：如果在main线程中创建了一个守护线程，当main方法运行完毕之后，守护线程也会随着消亡。而用户线程则不会，用户线程会一直运行直到其运行完毕。在JVM中，像垃圾收集器线程就是守护线程。

Thread类有一个比较常用的静态方法currentThread()用来获取当前线程。

六、总结

在上面已经说到了Thread类中的大部分方法，那么Thread类中的方法调用到底会引起线程状态发生怎样的变化呢？下面一幅图就是在上面的图上进行改进而来的：