1. 线程生命周期简介

1.1. Java线程的重要性

在多线程编程中，了解线程的生命周期是至关重要的。线程生命周期管理可以帮助我们编写出更高效、稳定且易于调试的并发程序。Java中的线程管理是通过一系列状态转换来实现的，每个状态代表了线程在生命周期中的一个具体阶段。

1.2. 线程生命周期的重要概念

线程生命周期中包含了多个状态：新建(NEW)、就绪(RUNNABLE)、运行(RUNNING)、阻塞(BLOCKED)和死亡(DEAD)状态。每个状态都有其特定的含义，以及从一个状态转移到另一个状态所需的条件。对这些概念的深入理解，能够帮助我们更好地操纵线程行为，避免常见的并发问题。 image.png

2. 新建状态(NEW)

2.1. 创建一个线程的例子

新建状态是指线程被创建后，处于这一状态中，但还未开始执行。以下是Java中创建线程的一个基本示例：

public class NewThreadExample implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程执行中...");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread myThread = new Thread(new NewThreadExample());
        System.out.println("线程创建，此时状态为：NEW");
    }
}

当我们创建了Thread的实例，但是还没调用start()方法时，线程处于'NEW'状态。此时，它是非活动的，没有分配运行所需的资源除了内存，并且还没有加入到线程调度器中。

3. 就绪状态(RUNNABLE)

3.1. 何为就绪状态

就绪状态(RUNNABLE)指的是线程已经被创建，且可以随时开始执行，只等待获取CPU的时间片。在多线程环境中，线程调度器负责为线程分配执行时间。就绪状态的线程位于就绪队列中，等待调度器的调度。

3.2. 就绪状态下线程的行为

线程在就绪状态下，已经具备了运行的所有条件，但它并不一定会立刻运行。这取决于JVM中线程调度器的策略和当前CPU的使用情况。

public class RunnableThreadExample implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程运行中...");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new RunnableThreadExample());
        thread.start(); // 线程进入就绪状态
        System.out.println("线程已经就绪，等待执行...");
    }
}

在上述代码中，thread.start()调用标志着线程从新建状态过渡到就绪状态，线程实例已在就绪队列中等待CPU调度。

4. 运行状态(RUNNING)

4.1. 运行状态概念解析

一旦线程被线程调度器选中，并给予了CPU的时间片，它就会进入运行状态。处于运行状态的线程将开始执行其run()方法里定义的代码。运行状态是线程生命周期中最核心的部分，因为这是线程真正活动并完成工作的时期。

4.2. 线程调度与运行状态

线程从就绪状态变为运行状态，涉及到JVM线程调度器的调度机制。线程调度器根据特定的算法（如时间片轮转或优先级调度）来决定哪个线程将获得CPU资源进行执行。

public class RunningThreadExample implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("这是线程的运行状态");
        // 模拟执行任务耗时过程
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            System.out.println("线程被中断");
        }
        System.out.println("线程运行结束");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new RunningThreadExample());
        thread.start(); // 线程进入运行状态并执行run方法
    }
}

上面的代码展示了线程进入运行状态的过程，以及在运行状态时可能会遇到的中断情况。通过调用Thread.sleep(1000)，模拟了线程正在执行任务的过程。

5.1. 理解阻塞状态

阻塞状态表明线程暂时无法继续执行，这通常是因为它正在等待某个外部操作完成，如I/O操作、获取同步锁或其他线程的操作。阻塞状态不占用CPU资源，但线程仍然是存活的。线程的状态会在满足某些条件或等待一定时间后重新转换，可能回到就绪状态或终止运行。

5.2. 阻塞状态的种类

阻塞状态可以分为几种不同的类型，主要包括等待阻塞、同步阻塞以及其他类型的阻塞，如调用sleep或join方法。

5.2.1. 等待阻塞（等待队列）

等待阻塞通常发生在等待某种资源或条件成立的时候。线程通过调用wait()方法，释放持有的对象锁，并进入对象的等待队列。当条件满足时，可以通过notify()或notifyAll()唤醒等待的线程。

public class WaitNotifyExample {
    static final Object lock = new Object();
    static class WaitingThread extends Thread {
        public void run() {
            synchronized(lock) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入等待状态。");
                    lock.wait();
                } catch(InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒。");
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread waitingThread = new WaitingThread();
        waitingThread.start();
        Thread.sleep(2000); // 让waitingThread进入等待状态
        synchronized(lock) {
            lock.notify();  // 唤醒waitingThread
            System.out.println("已发出通知唤醒一个线程！");
        }
    }
}

5.2.2. 同步阻塞（锁池）

同步阻塞发生于线程试图进入一个被其他线程持有锁的同步区块。线程进入锁池等待，直至锁被释放，此时，该线程可能得到锁而进入运行状态。

public class SynchronizedBlockExample {
    private static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized(lock) {
                System.out.println("线程1占有锁。");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch(InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("线程2试图获取锁...");
            synchronized(lock) {
                System.out.println("线程2占有锁。");
            }
        });
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(100); // 确保线程1先启动并获得锁
        } catch(InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        t2.start();
    }
}

在这个例子中，t1线程首先获得了锁并进入睡眠状态。当t2线程启动并尝试进入同步代码块时，它因为lock对象已被t1线程锁定而进入同步阻塞状态，直到t1线程释放锁之后，t2才有机会继续执行。

5.2.3. 其他阻塞（sleep/join）

其他类型的阻塞发生在当线程通过调用Thread.sleep(long millis)进入休眠状态或者等待其他线程完成以达到同步目的时调用join()方法。这些操作不需要获取对象锁。

public class OtherBlockExample {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("线程1开始执行并进入sleep状态");
            try {
                Thread.sleep(5000);
            } catch(InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程1完成执行");
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                t1.join();
                System.out.println("线程2等待线程1完成后继续执行");
            } catch(InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

当调用t1.sleep(5000);时，t1线程会进入休眠状态，这是一种阻塞。与此同时，当t2线程执行并调用t1.join();时，t2将等待t1线程完成，这是另一种形式的阻塞。

5.3. 问题排查与解决策略

在处理阻塞状态的线程时，问题排查和解决策略是至关重要的。对于等待阻塞，确保条件变量的正确使用，并合理使用notify()和notifyAll()。在处理同步阻塞时，要注意死锁的可能性，并确保锁的合理使用。对于其他阻塞，我们应该避免不必要的长时间sleep或不当的join使用。

6. 线程死亡(DEAD)

6.1. 线程死亡的情况

线程死亡是指线程的生命周期结束，此时线程已经完成了其生命期内的工作，或因为异常而终止。一旦线程达到DEAD状态，它就不可能再次运行。

6.1.1. 正常结束

一个线程的run()方法完成执行后，它会自然结束，这个过程是线程生命周期结束的正常情势。

public class NormalEndThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程开始运行");
        // ... 执行任务 ...
        System.out.println("线程正常结束");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new NormalEndThread());
        t1.start();
    }
}

6.1.2. 异常结束

如果在执行过程中发生异常，并且没有被捕获，那么线程将会非正常结束。

public class ExceptionEndThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("线程开始运行");
        if (true) {
            throw new RuntimeException("抛出运行时异常");
        }
        // 这里的代码不会被执行，线程将异常结束
        System.out.println("线程正常结束");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new ExceptionEndThread());
        t1.start();
    }
}

6.1.3. 调用stop方法

强制线程死亡的做法是调用stop()方法，但这是一个被废弃的方法，因为它是不安全的，可能会导致共享资源处于不一致的状态。因此，通常建议用其他方式来安全地中止线程，如设置中止标志或使用中断。

public class StopThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            // ... 执行任务 ...
            System.out.println("线程运行中");
        }
        System.out.println("线程安全终止");
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new StopThread());
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        t1.interrupt(); // 中止线程
    }
}

6.2. 线程状态转换图解析

线程状态转换图是理解线程生命周期的一个有用工具，它可以图形化地展示线程从一个状态到另一个状态的转换过程。如线程的创建（NEW状态），然后通过start()方法转到就绪（RUNNABLE）状态，被调用运行（RUNNING），可能会因阻塞而暂停运行（BLOCKED），最终因任务完成或异常退出而终止（DEAD）。

6.3. 细节优化与最佳实践

编写线程安全的代码时，理解线程生命周期和状态是非常重要的，它能够帮助我们设计出更健壮的并发程序。我们应尽量避免使用已废弃的方法，比如stop()，并且采取一些最佳实践来确保线程安全和程序的稳定性。一些最佳实践包括：

  • 使用中断来安全地停止线程，而不是stop()方法。
  • 合理使用同步代码块或对象来控制对共享资源的并发访问。
  • 避免在锁定对象时进行长时间的操作，以减少阻塞其他线程的机会。
  • 使用wait(), notify(), 和 notifyAll()方法来优化资源的等待和通知机制，但要正确使用。 按照这些实践来操作，可以帮助我们更好地管理线程的生命周期，避免常见的并发问题和资源竞争，从而创建出高效可靠的多线程应用程序。