線程狀態以及轉換

線程的基本狀態通常用于描述線程在程序執行過程中的生命周期。

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1 基本狀態

1.1 新建（New）

• 說明：線程對象已經創建，但尚未啟動。
• 示例（C++）：std::thread t(myFunction);（如果尚未調用 join() 或 detach()）

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1.2 就緒（Ready / Runnable）

• 說明：線程已經準備好運行，但由于 CPU 正忙，暫時未被調度執行。
• 特征：已具備運行條件，等待調度。

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1.3 運行中（Running）

• 說明：線程正在由 CPU 調度并執行任務。
• 特征：只有一個線程能在某一時刻占用一個 CPU 核心運行。

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1.4 阻塞/等待（Blocked / Waiting / Sleeping）

• 說明：線程暫時無法繼續運行，處于等待某些資源或事件狀態。

• 常見原因：

  • 等待鎖（mutex）釋放
  • 等待條件變量（std::condition_variable）
  • 調用了 sleep_for() / sleep_until()
  • 等待 I/O 操作完成

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1.5 掛起（Suspended）

• 說明：線程被人為暫停，暫時不會被調度（某些系統中才存在，如 Windows）。
• 補充：這不是所有系統都顯式支持的狀態。

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1.6 終止（Terminated / Dead / Exit）

• 說明：線程執行完任務或被強制終止，生命周期結束。

• 注意事項：

  • 線程終止后不能被重啟。
  • C++ 中，必須在適當時機調用 join() 或 detach()，否則可能引發資源泄露。

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注意點

• std::thread 構造后即啟動，不能“延遲啟動”。
• join()：主線程等待子線程執行完畢。
• detach()：子線程后臺運行，主線程不再關心其狀態。
• 未調用 join() 或 detach() 就析構 std::thread，會導致程序崩潰。

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2 狀態轉換

在 C/C++ 中，線程狀態的轉換并不像 Java 那樣有統一的虛擬機控制模型，而是依賴于底層操作系統（如 Linux、Windows）調度機制。C++ 本身通過 std::thread 提供了對系統線程（如 POSIX Threads 或 Windows Threads）的封裝，但不顯式暴露線程狀態。

結合操作系統線程模型，理解 C/C++ 中線程狀態的轉換路徑。

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2.1 C/C++ 線程狀態轉換圖（基于 Linux/POSIX 和 std::thread）

簡單版本

 [New] ↓[Ready] ? [Running] → [Terminated]↑          ↓[Blocked] ←---

 +--------+       thread constructor|  New   | --------------------------++--------+                           ||                               v|                        +-------------+|        OS調度          |   Runnable  |+----------------------> +-------------+|             |v             |+--------------+      | 被搶占或 yield|   Running    | <----++--------------+|+----------------------+------------------------------+|                      |                              |v                      v                              v
[Waiting on lock]   [Waiting on cond_var]          [sleep_for / sleep_until]Blocked              Waiting (CondVar)             Sleeping+                      +                              +|                      |                              |+---------> 信號/條件滿足/定時器超時  <---------------+|v+--------------+|   Runnable   |+--------------+|v+--------------+|   Running    |+--------------+|執行結束 or 異常|v+--------------+| Terminated   |+--------------+

Linux 實際版

            +-------------+|   Running   | <--------++-------------+          ||        ^            |preempt    schedule       |v        |            |+-------------+           ||   Runnable   | ---------++-------------+|+------+------+|             |+-------+     +--------+| Sleep |     |  Disk  ||  (S)  |     | Sleep  |+-------+     |  (D)   ||         +--------+|               |v               v+---------------------+|     Runnable        |+---------------------+(via wakeup or I/O completion)

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2.2 狀態轉換說明

狀態名稱	觸發條件	示例代碼
New → Runnable	創建線程對象 std::thread t(...)	std::thread t(myFunc);
Runnable → Running	被操作系統調度	自動完成，無需顯式操作
Running → Blocked	獲取互斥鎖失敗（如 mutex.lock()）	std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
Running → Waiting	調用 condition_variable.wait()	cv.wait(lock);
Running → Sleeping	調用 std::this_thread::sleep_for(...)	std::this_thread::sleep_for(1s);
Blocked/Waiting/Sleeping → Runnable	條件滿足/超時/鎖釋放	由 OS 處理，代碼中不可見
Running → Terminated	線程函數返回/異常	函數結束或 return

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2.3 示例：多個狀態的轉換代碼

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <chrono>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;void worker() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);std::cout << "Worker: waiting...\n";// Running → Waiting（掛起等待條件變量）cv.wait(lock, [] { return ready; });std::cout << "Worker: resumed and working...\n";// Running → Sleepingstd::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));std::cout << "Worker: finished.\n";// → Terminated
}int main() {std::thread t(worker);std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);ready = true;std::cout << "Main: notifying worker...\n";}cv.notify_one();t.join();
}

執行結果

Worker: waiting...
Main: notifying worker...
Worker: resumed and working...
Worker: finished.

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3 調試

3.1 Linux 中線程/進程的典型狀態碼

運行命令如：

ps -o pid,tid,stat,comm -L -p <pid>

或者使用 top，會看到類似以下狀態碼：

例如輸出：

  PID   TID STAT COMMAND
12345 12345 Ss   my_program
12345 12346 Sl   my_program
12345 12347 Rl   my_program
12345 12348 S    my_program

• Ss：主線程，sleeping 且為 session leader。
• Sl：sleeping + 多線程（L）。
• Rl：runnable + 多線程（L）。
• S：普通 sleeping 線程。

狀態碼	含義	說明
R	Running / Runnable	正在運行，或在運行隊列中等待調度
S	Sleeping (Interruptible)	可中斷的睡眠，等待事件或條件，如 sleep()、read()
D	Uninterruptible sleep	不可中斷的睡眠（通常為 IO），如等待磁盤或網絡
T	Traced / Stopped	被調試器暫停或收到 SIGSTOP 信號
Z	Zombie	僵尸進程，子進程已終止但父進程未調用 wait()
X	Dead	非正常終止（很少見）

3.2 深入 /proc/[pid]/task/ 查看線程狀態

Linux 把每個線程當作一個任務（task），在 /proc/[pid]/task/ 下有所有線程的子目錄：

ls /proc/<pid>/task/

然后可以查看每個線程狀態：

cat /proc/<pid>/task/<tid>/status

輸出中有一行：

State:	S (sleeping)

其他可能值包括：

• R (running)
• D (disk sleep)
• T (stopped)
• Z (zombie)

3.3 狀態之間的實際轉換（C++ 映射）

Linux 狀態	對應 C++ 場景
R (Runnable)	正在執行或準備被調度，CPU 調度隊列中
S (Sleeping)	std::this_thread::sleep_for、等待條件變量、I/O 等
D (Disk Sleep)	被阻塞在磁盤或網絡 I/O（不可中斷）
T (Stopped)	被調試或 SIGSTOP 暫停
Z (Zombie)	線程/進程退出但未被 join()/wait()

3.5 調試技巧

1. htop 可視化線程狀態

htop
# F2 -> Display options -> Show custom thread names (如你設置了)

2. gdb 附加調試線程狀態

gdb -p <pid>
info threads

3. perf top 查看哪些線程/函數在消耗 CPU

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總結：線程狀態的決定者是誰？

決定因素	狀態
程序員代碼	睡眠、等待、join 等顯式操作
操作系統調度器	Running / Runnable 切換、搶占等
鎖競爭	Blocked（mutex、spinlock）