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为什么要有线程及其生命周期

news 2025/9/29 10:10:58

壹、为什么要有线程

线程（Thread）是操作系统和编程语言中实现并发执行的核心机制，其存在的根本目的是提高程序执行效率和资源利用率。以下从计算机底层原理、程序执行模式及实际场景等维度，详细解析为什么需要线程：

一、从 "单任务" 到 "多任务"：线程的诞生背景

早期计算机只能单任务执行（如 DOS 系统）：一个程序运行时，其他程序必须等待其结束。这种模式存在严重缺陷：

  • 资源浪费：当程序进行 I/O 操作（如读取文件、网络请求）时，CPU 处于空闲状态（等待 I/O 完成），但无法处理其他任务。
  • 响应缓慢：若一个任务执行时间长（如复杂计算），整个系统会陷入 "假死"，用户操作无响应。

为解决这些问题，操作系统引入了进程（Process）机制，实现多任务并发。但进程存在创建销毁成本高、资源占用大、切换开销大等问题（进程包含独立的内存空间、文件描述符等）。

线程的出现：线程是进程内的轻量级执行单元，多个线程共享进程的内存空间和资源，切换成本远低于进程。线程让多任务并发更高效，成为现代编程的基础。

二、线程的核心价值：提升效率与资源利用率

1. 充分利用 CPU 资源（减少空闲时间）

现代计算机几乎都配备多核 CPU，线程能让程序并行利用多个核心，同时在单核心下通过时间片轮转实现并发，减少 CPU 空闲。

  • 示例：一个程序包含两个任务：A（计算密集型，需大量 CPU）和 B（I/O 密集型，如读取文件）。
    • 单线程执行：A 执行时 CPU 忙碌，B 执行时 CPU 空闲（等待 I/O），总耗时 = A 耗时 + B 耗时。
    • 多线程执行：A 和 B 同时运行，CPU 在 A 执行时工作，B 等待 I/O 时 CPU 可处理 A（或其他任务），总耗时 ≈ max (A 耗时，B 耗时)，效率显著提升。
2. 优化程序响应性（分离任务优先级）

线程可将程序的 "核心功能" 与 "辅助功能" 分离，避免耗时操作阻塞关键流程。

  • 典型场景：图形界面（GUI）程序中，若用单线程处理用户点击（关键）和文件下载（耗时），下载时界面会冻结（无法响应用户操作）。解决方案：用主线程处理用户交互，子线程处理文件下载，确保界面始终响应。
3. 简化并发编程模型

线程比进程更轻量，且共享进程资源，大幅降低了并发编程的复杂度：

  • 线程间通信无需复杂的进程间通信（IPC）机制（如管道、共享内存），可通过共享内存直接交互（需注意同步）。
  • 开发中可按功能拆分线程（如网络请求线程、数据处理线程、UI 线程），逻辑更清晰。
4. 适配现代硬件与应用场景
  • 多核 CPU：线程可直接映射到不同核心，实现真正的并行计算（如大数据处理、科学计算）。
  • I/O 密集型应用：服务器（如 Web 服务器、数据库）需同时处理 thousands 级请求，线程池（多线程）是支撑高并发的核心机制。
  • 实时系统：需快速响应外部事件（如传感器数据），线程的快速切换能力保证了实时性。

三、线程与相关概念的对比：为什么选择线程？

执行模式优势劣势适用场景
单线程简单，无并发问题无法利用多核，I/O 时 CPU 空闲简单工具、脚本程序
多进程隔离性好（一个崩溃不影响其他）资源占用大，切换成本高，通信复杂独立功能模块（如浏览器标签页）
多线程轻量，共享资源，切换快，通信简单需处理线程安全问题（如竞态条件）大多数并发场景（服务器、GUI 等）

四、线程的挑战与应对

线程并非完美，引入了新的问题：

  1. 线程安全：多个线程共享资源可能导致数据不一致（如竞态条件），需通过锁（synchronized、Lock）、原子类等机制解决。
  2. 上下文切换：线程切换需保存 / 恢复状态（寄存器、程序计数器等），过度切换会消耗 CPU，需合理控制线程数量。
  3. 死锁 / 活锁：不当的同步逻辑可能导致线程无限等待，需通过规范锁顺序、设置超时等方式避免。

这些问题并非线程本身的缺陷，而是并发编程的固有挑战，通过合理设计（如使用线程池、并发容器）可有效规避。

五、总结

线程的存在是为了突破单任务执行的效率瓶颈，核心价值体现在：

  • 提高 CPU 利用率：让 CPU 在 I/O 等待时不空闲，充分利用多核资源。
  • 提升程序响应性：分离关键任务与耗时任务，避免阻塞。
  • 简化并发模型：比进程更轻量，共享资源便于通信。

从底层硬件（多核 CPU）到上层应用（Web 服务器、GUI 程序），线程是实现高效并发的基础，是现代编程语言和操作系统不可或缺的核心机制。

贰、线程的生命周期

在 Java 中，线程的生命周期包含6 种状态，这些状态定义在Thread.State枚举中，状态之间会根据操作发生转换。理解线程状态转换是掌握多线程编程的基础。

一、线程的 6 种状态

根据 Java 官方文档，线程的状态分为以下 6 种：

状态名称说明
NEW（新建）线程对象已创建，但未调用start()方法（尚未启动）。
RUNNABLE（可运行）线程已启动，正在 JVM 中运行，或等待 CPU 调度（包含传统 OS 中的 “运行” 和 “就绪” 状态）。
BLOCKED（阻塞）线程等待获取 synchronized 锁（因竞争锁而被阻塞）。
WAITING（无限等待）线程无限期等待其他线程的特定操作（如notify()），无超时时间。
TIMED_WAITING（计时等待）线程等待指定时间后自动唤醒（如sleep(1000)、wait(1000)）。
TERMINATED（终止）线程执行完毕（run()方法结束）或因异常终止。

二、状态转换流程图

[NEW] ↓ (调用start())
[RUNNABLE] ↓ (获取锁失败)              ↓ (释放锁后重新竞争)
[BLOCKED] --------------------→ [RUNNABLE]↑                            ↓ (调用wait()/join()等)|                        [WAITING]|                            ↓ (被notify()/中断)|                            → [RUNNABLE]|                            ↓ (调用wait(超时)/sleep(超时)等)|                        [TIMED_WAITING]|                            ↓ (超时/被notify()/中断)└----------------------------→ [RUNNABLE]↓ (run()执行完毕/异常)[TERMINATED]

三、详细转换说明

1. NEW → RUNNABLE
  • 触发条件：调用线程对象的start()方法（不能重复调用，否则抛IllegalThreadStateException）。
  • 示例：
    Thread thread = new Thread(() -> {});
System.out.println(thread.getState()); // 输出：NEW
thread.start();
System.out.println(thread.getState()); // 可能输出：RUNNABLE（取决于调度）
2. RUNNABLE ↔ BLOCKED
  • RUNNABLE → BLOCKED：线程尝试获取synchronized锁时，若锁被其他线程持有，则进入BLOCKED状态。
  • BLOCKED → RUNNABLE：持有锁的线程释放锁后，当前线程竞争到锁，重新进入RUNNABLE。
  • 示例：
    Object lock = new Object();// 线程1先获取锁
Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (lock) {try { Thread.sleep(1000); } // 持有锁休眠catch (InterruptedException e) {}}
});// 线程2后尝试获取锁，会进入BLOCKED
Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (lock) { // 此时t1持有锁，t2进入BLOCKEDSystem.out.println("获取锁成功");}
});t1.start();
Thread.sleep(100); // 确保t1先执行
t2.start();
System.out.println(t2.getState()); // 输出：BLOCKED
3. RUNNABLE ↔ WAITING

  • RUNNABLE → WAITING：

    • 调用object.wait()（必须在synchronized块中，释放锁并等待）。
    • 调用thread.join()（等待目标线程执行完毕）。
    • 调用LockSupport.park()（无参数版本，阻塞当前线程）。

  • WAITING → RUNNABLE：

    • 其他线程调用object.notify()或object.notifyAll()（唤醒后需重新竞争锁）。
    • 被join()的目标线程执行完毕。
    • 其他线程调用LockSupport.unpark(thread)。

  • 示例（wait()/notify()）：

    Object lock = new Object();
Thread t = new Thread(() -> {synchronized (lock) {try {lock.wait(); // 释放锁，进入WAITING} catch (InterruptedException e) {}}
});
t.start();
Thread.sleep(100);
System.out.println(t.getState()); // 输出：WAITING// 其他线程唤醒
new Thread(() -> {synchronized (lock) {lock.notify(); // 唤醒t线程}
}).start();
4. RUNNABLE ↔ TIMED_WAITING

  • RUNNABLE → TIMED_WAITING：

    • 调用Thread.sleep(long millis)（不释放锁，仅暂停执行）。
    • 调用object.wait(long timeout)（释放锁，等待指定时间）。
    • 调用thread.join(long millis)（限时等待目标线程）。
    • 调用LockSupport.parkNanos()或LockSupport.parkUntil()（限时阻塞）。

  • TIMED_WAITING → RUNNABLE：

    • 等待时间超时。
    • 其他线程调用notify()/notifyAll()（需重新竞争锁）。
    • 线程被中断（interrupt()）。

  • 示例（sleep()）：

    Thread t = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(1000); // 进入TIMED_WAITING} catch (InterruptedException e) {}
});
t.start();
Thread.sleep(100);
System.out.println(t.getState()); // 输出：TIMED_WAITING
5. RUNNABLE → TERMINATED
  • 触发条件：
    • 线程的run()方法正常执行完毕。
    • 线程执行中抛出未捕获的异常（导致run()方法终止）。
  • 示例：
    Thread t = new Thread(() -> {});
t.start();
Thread.sleep(100); // 等待线程执行完毕
System.out.println(t.getState()); // 输出：TERMINATED

四、关键注意点

  1. RUNNABLE的特殊含义：Java 中的RUNNABLE包含两种情况：

    • 线程正在 CPU 上执行（运行中）。
    • 线程就绪，等待 CPU 调度（未运行但可立即执行）。这与操作系统层面的 “运行” 和 “就绪” 状态不同，是 Java 对线程状态的简化抽象。

  2. BLOCKED与WAITING的区别：

    • BLOCKED：等待synchronized 锁（被动等待，无需主动唤醒）。
    • WAITING：等待其他线程的特定操作（如notify()，需主动唤醒）。

  3. 状态不可逆：线程进入TERMINATED后，无法再回到其他状态（即使调用start()也会报错）。

  4. sleep()与wait()的状态差异：

    • sleep()：线程进入TIMED_WAITING，不释放锁。
    • wait()：线程进入WAITING或TIMED_WAITING，释放锁。

总结

线程的生命周期是多线程调度的核心，6 种状态的转换反映了线程从创建到终止的完整过程：

  • 从NEW启动到RUNNABLE，再根据锁竞争、等待操作进入BLOCKED/WAITING/TIMED_WAITING，最终执行完毕进入TERMINATED。

理解这些状态转换，有助于诊断线程死锁、阻塞等问题，写出更可靠的多线程程序。

http://www.dtcms.com/a/419614.html

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