【C/C++】线程状态以及转换

文章目录

线程状态以及转换
- [1 基本状态](#1 基本状态)
- - [1.1 新建（New）](#1.1 新建（New）)
  - [1.2 就绪（Ready / Runnable）](#1.2 就绪（Ready / Runnable）)
  - [1.3 运行中（Running）](#1.3 运行中（Running）)
  - [1.4 阻塞/等待（Blocked / Waiting / Sleeping）](#1.4 阻塞/等待（Blocked / Waiting / Sleeping）)
  - [1.5 挂起（Suspended）](#1.5 挂起（Suspended）)
  - [1.6 终止（Terminated / Dead / Exit）](#1.6 终止（Terminated / Dead / Exit）)
  - 注意点
- [2 状态转换](#2 状态转换)
- - [2.1 C/C++ 线程状态转换图（基于 Linux/POSIX 和 `std::thread`）](#2.1 C/C++ 线程状态转换图（基于 Linux/POSIX 和 std::thread）)
  - [2.2 状态转换说明](#2.2 状态转换说明)
  - [2.3 示例：多个状态的转换代码](#2.3 示例：多个状态的转换代码)
- [3 调试](#3 调试)
- - [3.1 Linux 中线程/进程的典型状态码](#3.1 Linux 中线程/进程的典型状态码)
  - [3.2 深入 `/proc/[pid]/task/` 查看线程状态](#3.2 深入 /proc/[pid]/task/ 查看线程状态)
  - [3.3 状态之间的实际转换（C++ 映射）](#3.3 状态之间的实际转换（C++ 映射）)
  - [3.5 调试技巧](#3.5 调试技巧)
- 总结：线程状态的决定者是谁？

线程状态以及转换

线程的基本状态通常用于描述线程在程序执行过程中的生命周期。

1 基本状态

1.1 新建（New）

说明：线程对象已经创建，但尚未启动。
示例（C++）：std::thread t(myFunction);（如果尚未调用 join() 或 detach()）

1.2 就绪（Ready / Runnable）

说明：线程已经准备好运行，但由于 CPU 正忙，暂时未被调度执行。
特征：已具备运行条件，等待调度。

1.3 运行中（Running）

说明：线程正在由 CPU 调度并执行任务。
特征：只有一个线程能在某一时刻占用一个 CPU 核心运行。

1.4 阻塞/等待（Blocked / Waiting / Sleeping）

说明：线程暂时无法继续运行，处于等待某些资源或事件状态。
常见原因：
- 等待锁（mutex）释放
- 等待条件变量（std::condition_variable）
- 调用了 sleep_for() / sleep_until()
- 等待 I/O 操作完成

1.5 挂起（Suspended）

说明：线程被人为暂停，暂时不会被调度（某些系统中才存在，如 Windows）。
补充：这不是所有系统都显式支持的状态。

1.6 终止（Terminated / Dead / Exit）

说明：线程执行完任务或被强制终止，生命周期结束。
注意事项：
- 线程终止后不能被重启。
- C++ 中，必须在适当时机调用 join() 或 detach()，否则可能引发资源泄露。

注意点

std::thread 构造后即启动，不能"延迟启动"。
join()：主线程等待子线程执行完毕。
detach()：子线程后台运行，主线程不再关心其状态。
未调用 join() 或 detach() 就析构 std::thread，会导致程序崩溃。

2 状态转换

在 C/C++ 中，线程状态的转换并不像 Java 那样有统一的虚拟机控制模型，而是依赖于底层操作系统（如 Linux、Windows）调度机制。C++ 本身通过 std::thread 提供了对系统线程（如 POSIX Threads 或 Windows Threads）的封装，但不显式暴露线程状态。

结合操作系统线程模型，理解 C/C++ 中线程状态的转换路径。

2.1 C/C++ 线程状态转换图（基于 Linux/POSIX 和 `std::thread`）

简单版本

text 复制代码

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

text 复制代码

 +--------+       thread constructor
 |  New   | --------------------------+
 +--------+                           |
      |                               v
      |                        +-------------+
      |        OS调度          |   Runnable  |
      +----------------------> +-------------+
                               |             |
                               v             |
                       +--------------+      | 被抢占或 yield
                       |   Running    | <----+
                       +--------------+
                             |
      +----------------------+------------------------------+
      |                      |                              |
      v                      v                              v
[Waiting on lock]   [Waiting on cond_var]          [sleep_for / sleep_until]
     Blocked              Waiting (CondVar)             Sleeping
      +                      +                              +
      |                      |                              |
      +---------> 信号/条件满足/定时器超时  <---------------+
                             |
                             v
                       +--------------+
                       |   Runnable   |
                       +--------------+
                             |
                             v
                       +--------------+
                       |   Running    |
                       +--------------+
                             |
                        执行结束 or 异常
                             |
                             v
                       +--------------+
                       | Terminated   |
                       +--------------+

Linux 实际版

text 复制代码

            +-------------+
            |   Running   | <--------+
            +-------------+          |
               |        ^            |
           preempt    schedule       |
               v        |            |
           +-------------+           |
           |   Runnable   | ---------+
           +-------------+
               |
        +------+------+
        |             |
    +-------+     +--------+
    | Sleep |     |  Disk  |
    |  (S)  |     | Sleep  |
    +-------+     |  (D)   |
        |         +--------+
        |               |
        v               v
    +---------------------+
    |     Runnable        |
    +---------------------+

      (via wakeup or I/O completion)

2.2 状态转换说明

状态名称	触发条件	示例代码
New → Runnable	创建线程对象 `std::thread t(...)`	`std::thread t(myFunc);`
Runnable → Running	被操作系统调度	自动完成，无需显式操作
Running → Blocked	获取互斥锁失败（如 `mutex.lock()`）	`std::unique_lock<std::mutex> lock(m);`
Running → Waiting	调用 `condition_variable.wait()`	`cv.wait(lock);`
Running → Sleeping	调用 `std::this_thread::sleep_for(...)`	`std::this_thread::sleep_for(1s);`
Blocked/Waiting/Sleeping → Runnable	条件满足/超时/锁释放	由 OS 处理，代码中不可见
Running → Terminated	线程函数返回/异常	函数结束或 `return`

2.3 示例：多个状态的转换代码

cpp 复制代码

#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（挂起等待条件变量）
    cv.wait(lock, [] { return ready; });

    std::cout << "Worker: resumed and working...\n";
    // Running → Sleeping
    std::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();
}

执行结果

bash 复制代码

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

3 调试

3.1 Linux 中线程/进程的典型状态码

运行命令如：

bash 复制代码

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

或者使用 top，会看到类似以下状态码：

例如输出：

复制代码

  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：主线程，sleeping 且为 session leader。
Sl：sleeping + 多线程（L）。
Rl：runnable + 多线程（L）。
S：普通 sleeping 线程。

状态码	含义	说明
`R`	Running / Runnable	正在运行，或在运行队列中等待调度
`S`	Sleeping (Interruptible)	可中断的睡眠，等待事件或条件，如 `sleep()`、`read()`
`D`	Uninterruptible sleep	不可中断的睡眠（通常为 IO），如等待磁盘或网络
`T`	Traced / Stopped	被调试器暂停或收到 `SIGSTOP` 信号
`Z`	Zombie	僵尸进程，子进程已终止但父进程未调用 `wait()`
`X`	Dead	非正常终止（很少见）

3.2 深入 `/proc/[pid]/task/` 查看线程状态

Linux 把每个线程当作一个任务（task），在 /proc/[pid]/task/ 下有所有线程的子目录：

bash 复制代码

ls /proc/<pid>/task/

然后可以查看每个线程状态：

bash 复制代码

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

输出中有一行：

复制代码

State:	S (sleeping)

其他可能值包括：

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

3.3 状态之间的实际转换（C++ 映射）

Linux 状态	对应 C++ 场景
`R` (Runnable)	正在执行或准备被调度，CPU 调度队列中
`S` (Sleeping)	`std::this_thread::sleep_for`、等待条件变量、I/O 等
`D` (Disk Sleep)	被阻塞在磁盘或网络 I/O（不可中断）
`T` (Stopped)	被调试或 `SIGSTOP` 暂停
`Z` (Zombie)	线程/进程退出但未被 `join()`/`wait()`

3.5 调试技巧

htop 可视化线程状态

bash 复制代码

htop
# F2 -> Display options -> Show custom thread names (如你设置了)

gdb 附加调试线程状态

bash 复制代码

gdb -p <pid>
info threads

perf top 查看哪些线程/函数在消耗 CPU

总结：线程状态的决定者是谁？

决定因素	状态
程序员代码	睡眠、等待、join 等显式操作
操作系统调度器	Running / Runnable 切换、抢占等
锁竞争	Blocked（mutex、spinlock）

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线程状态以及转换

1 基本状态

1.1 新建（New）

1.2 就绪（Ready / Runnable）

1.3 运行中（Running）

1.4 阻塞/等待（Blocked / Waiting / Sleeping）

1.5 挂起（Suspended）

1.6 终止（Terminated / Dead / Exit）

注意点

2 状态转换

2.1 C/C++ 线程状态转换图（基于 Linux/POSIX 和 std::thread）

2.2 状态转换说明

2.3 示例：多个状态的转换代码

3 调试

3.1 Linux 中线程/进程的典型状态码

3.2 深入 /proc/[pid]/task/ 查看线程状态

3.3 状态之间的实际转换（C++ 映射）

3.5 调试技巧

总结：线程状态的决定者是谁？

2.1 C/C++ 线程状态转换图（基于 Linux/POSIX 和 `std::thread`）

3.2 深入 `/proc/[pid]/task/` 查看线程状态