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一、线程的五种基本状态

二、线程从 RUNNABLE 进入阻塞 / 等待状态的三种典型场景

1. 调用sleep(long millis)：进入 TIMED_WAITING 状态

2. 调用wait()：进入 WAITING/TIMED_WAITING 状态

3. 等待 I/O 资源或获取锁失败：进入 BLOCKED 状态

三、线程从阻塞 / 等待状态回到 RUNNABLE 状态的底层原理

1. TIMED_WAITING 状态的唤醒（如sleep()超时）

2. WAITING/TIMED_WAITING 状态的唤醒（如wait()被唤醒）

对象监视器（Monitor）

wait()方法的底层执行流程

notify()/notifyAll()的底层执行流程

3. BLOCKED 状态的唤醒（如获取锁或 I/O 就绪）

四、总结：线程状态转换的核心逻辑

在多线程编程中，线程状态的转换是理解并发行为的核心。当运行中的线程因调用sleep()、wait()或等待 I/O 等操作让出 CPU 时，会进入特定的阻塞状态；而从阻塞状态重新回到可运行状态的过程，更是体现了 JVM 对线程调度的精妙设计。本文将深入解析线程状态转换的底层机制，揭示线程如何在不同状态间切换。

一、线程的五种基本状态

根据 Java 线程模型，线程的生命周期包含五种状态，由Thread.State枚举定义：

  1. 新建（NEW）：线程对象已创建但未调用start()方法。
  2. 可运行（RUNNABLE）：线程已启动，正在 JVM 中运行或等待 CPU 调度。
  3. 阻塞（BLOCKED）：线程等待获取 synchronized 锁（进入 synchronized 块 / 方法时未抢到锁）。
  4. 等待（WAITING）：线程无限期等待被其他线程唤醒（如调用wait()、join()无参方法）。
  5. 超时等待（TIMED_WAITING）：线程在指定时间内等待（如sleep(1000)、wait(1000)）。
  6. 终止（TERMINATED）：线程执行完毕或因异常退出。

核心转换场景：运行状态（RUNNABLE）的线程会因特定操作进入阻塞 / 等待状态，待条件满足后重新回到 RUNNABLE 状态。

二、线程从 RUNNABLE 进入阻塞 / 等待状态的三种典型场景

运行中的线程（RUNNABLE）在以下情况会让出 CPU，进入非运行状态：

1. 调用sleep(long millis)：进入 TIMED_WAITING 状态

sleep()是 Thread 类的静态方法，作用是让当前线程暂停执行指定毫秒数。调用后线程状态变化为：
RUNNABLE → TIMED_WAITING

  • 特点：
    • 线程不会释放已持有的锁（如 synchronized 锁）。
    • 暂停时间是相对精确的（受系统时钟和 CPU 调度影响）。
    • 常用于模拟延迟（如网络请求等待）。
public class SleepDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t = new Thread(() -> {try {System.out.println("线程进入睡眠");Thread.sleep(3000); // 进入TIMED_WAITING状态System.out.println("线程唤醒");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});t.start();}
}

2. 调用wait()：进入 WAITING/TIMED_WAITING 状态

wait()是 Object 类的方法，必须在synchronized块中调用，作用是让线程释放锁并等待被唤醒。调用后状态变化为：
RUNNABLE → WAITING（无参wait()）或TIMED_WAITING（wait(long timeout)）

  • 特点：
    • 必须持有对象锁（synchronized），调用后立即释放锁。
    • 需其他线程调用同一对象的notify()/notifyAll()唤醒（或超时自动唤醒）。
    • 常用于线程间协作（如生产者消费者模型）。
public class WaitDemo {private static final Object lock = new Object();public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {synchronized (lock) {try {System.out.println("线程进入等待");lock.wait(); // 进入WAITING状态System.out.println("线程被唤醒");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}).start();}
}

3. 等待 I/O 资源或获取锁失败：进入 BLOCKED 状态

当线程等待外部资源（如磁盘 IO、网络请求）或尝试获取 synchronized 锁但失败时，会进入 BLOCKED 状态：
RUNNABLE → BLOCKED

  • 特点：
    • 等待 I/O 时，线程暂停执行，直到资源就绪（如数据读取完成）。
    • 获取锁失败时，线程进入锁的 "入口集"（Entry Set）排队，直到锁被释放。
public class BlockedDemo {private static final Object lock = new Object();public static void main(String[] args) {// 线程1先获取锁new Thread(() -> {synchronized (lock) {try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }}}).start();// 线程2后启动，尝试获取锁失败，进入BLOCKED状态new Thread(() -> {synchronized (lock) { // 此处会阻塞System.out.println("线程2获取到锁");}}).start();}
}

三、线程从阻塞 / 等待状态回到 RUNNABLE 状态的底层原理

线程进入阻塞 / 等待状态后，并非永久停止，而是在特定条件满足后重新回到 RUNNABLE 状态。不同状态的唤醒机制底层原理不同：

1. TIMED_WAITING 状态的唤醒（如sleep()超时）

sleep(long millis)的唤醒依赖系统定时器：

  • 底层流程：

    1. 线程调用sleep()时，JVM 向操作系统注册一个定时事件（指定 millis 后触发）。
    2. 线程从 RUNNABLE 状态切换到 TIMED_WAITING，操作系统将其从 CPU 调度队列中移除。
    3. 定时时间到达后，操作系统触发事件，JVM 将线程重新放入 CPU 调度队列，状态切换为 RUNNABLE。
    4. 线程等待 CPU 调度，获取时间片后继续执行。

  • 特殊情况：若线程在sleep()期间被中断（调用interrupt()），会抛出InterruptedException并提前唤醒，状态直接回到 RUNNABLE。

2. WAITING/TIMED_WAITING 状态的唤醒（如wait()被唤醒）

要理解wait()和notify()/notifyAll()的底层原理，需要从线程状态转换和对象监视器（Monitor） 两个核心角度展开。这组方法是 Java 中实现线程间协作的基础，其底层依赖于 JVM 对对象锁的管理机制。

对象监视器（Monitor）

Java 中每个对象都隐式关联一个对象监视器（Monitor），也称为 “内置锁” 或 “管程”。它是实现同步和线程协作的核心数据结构，内部包含三个关键部分：

  1. 持有线程：当前获取到锁的线程（同一时间只能有一个线程持有）。
  2. 入口集（Entry Set）：等待获取锁的线程集合（线程状态为BLOCKED）。
  3. 等待集（Wait Set）：调用wait()后释放锁并等待被唤醒的线程集合（线程状态为WAITING或TIMED_WAITING）。

简单说，Monitor 就像一个 “休息室 + 会议室”：

  • 会议室（锁）同一时间只能有一个线程使用（持有锁的线程）；
  • 入口集是等待进入会议室的线程队列；
  • 等待集是在会议室内主动暂停（调用wait()）并临时退出到休息室的线程队列。
wait()方法的底层执行流程

当线程调用obj.wait()时，底层会执行以下操作（必须在synchronized块中调用，否则会抛IllegalMonitorStateException）：

  1. 释放当前对象的锁
    调用wait()的线程必须已经持有obj的锁（即处于synchronized(obj)块中）。执行wait()后，线程会主动释放该锁，退出 “持有线程” 位置，让其他线程有机会获取锁。

  2. 进入对象的等待集（Wait Set）
    线程释放锁后，会从 “运行状态” 转入 “等待状态（WAITING）”，并被放入obj的等待集（休息室）中。此时线程不再参与 CPU 调度，处于阻塞状态。

  3. 等待被唤醒
    线程在等待集中休眠，直到其他线程调用obj.notify()或obj.notifyAll()，才有可能被唤醒。若调用的是wait(long timeout)，则超时后也会自动唤醒。

  4. 重新竞争锁
    被唤醒的线程不会立即执行，而是从等待集转移到入口集（Entry Set），重新参与锁的竞争。只有重新获取到obj的锁后，才能从wait()方法返回，继续执行后续代码。

  • 关键细节：被唤醒的线程必须重新竞争锁，因此wait()通常配合while循环检查条件（防止虚假唤醒）：

    synchronized (obj) {while (条件不满足) { // 用while而非if，避免虚假唤醒obj.wait();}
}
notify()/notifyAll()的底层执行流程

notify()和notifyAll()用于唤醒等待集中的线程，底层流程如下：

  1. notify()：从对象的等待集中随机选择一个线程，将其从等待集移到入口集（Entry Set），使其有机会重新竞争锁。
  2. notifyAll()：将对象等待集中的所有线程全部移到入口集，让所有等待线程重新竞争锁。

注意：

  • 调用notify()/notifyAll()的线程不会立即释放锁，而是要等当前synchronized块执行完毕后才释放。因此，被唤醒的线程需要等待唤醒它的线程释放锁后，才能重新竞争锁。
  • 若等待集中没有线程，notify()/notifyAll()调用无效果。

3. BLOCKED 状态的唤醒（如获取锁或 I/O 就绪）

  • 获取锁的 BLOCKED 线程：

    1. 线程因未抢到 synchronized 锁进入 BLOCKED 状态，排队在锁的入口集（Entry Set）。
    2. 当持有锁的线程释放锁（退出 synchronized 块），JVM 从入口集中唤醒一个或多个线程（具体策略由 JVM 实现决定）。
    3. 被唤醒的线程竞争锁，成功后状态切换为 RUNNABLE。

  • 等待 I/O 的 BLOCKED 线程：

    1. 线程发起 I/O 请求后，进入 BLOCKED 状态（如读取文件时等待磁盘数据）。
    2. 操作系统负责处理 I/O 操作，完成后向 JVM 发送I/O 完成事件。
    3. JVM 接收到事件后，将线程状态切换为 RUNNABLE，等待 CPU 调度。

四、总结：线程状态转换的核心逻辑

线程状态转换的本质是JVM 与操作系统协作的资源调度过程：

  1. 主动让出 CPU：sleep()、wait()等方法让线程暂时放弃执行权，进入特定状态。
  2. 阻塞原因解除：超时、被唤醒、资源就绪等条件触发时，线程重新获得执行资格。
  3. 竞争 CPU 时间片：所有回到 RUNNABLE 状态的线程，最终需通过操作系统的 CPU 调度获得执行机会。

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