【JavaEE】多线程（五）- 基础知识完结篇

多线程（五）

文章目录

多线程（五）
- volatile关键字
- - 保证内存可见性
  - - JMM（Java Memory Model）
  - 不保证原子性
- wait 和 notify
- - wait()
  - notify()
  - 线程饿死

上文我们主要讲了 synchronized以及线程安全的一些话题

可重入锁 => 死锁

一个线程，一把锁，连续加锁两次
两个线程两把锁
N个线程N把锁，哲学家就餐问题♂

产生死锁的四个必要条件

互斥使用
不可抢占/剥夺
请求和保持获取多把锁获取第二把锁的时候第一把锁不要释放
循环等待/环路等待

续上文，本篇我们继续聊多线程~

volatile关键字

保证内存可见性

计算机运行的代码/程序，经常要访问数据，这些依赖的数据，往往就存储在内存中。（也就是定义一个变量，变量就是存储在内存中）

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

cpu使用这个变量的时候，就会把这个内存数据，先读出来，放到cpu寄存器里面，在参与运算load

这里我们要注意：

cpu的读取内存操作，其实是非常慢的
cpu进行大部分操作都是很快的，但是一旦操作读/写内存，此时速度就会慢下来
读内存相比于读硬盘，快几千倍，上万倍
读寄存器，相比于读内存，又快了几千倍，上万倍

因此，为了解决上述问题，提高效率，此时编译器就可能对代码做出优化，把一些本来要读内存的操作，优化成读寄存器，减少读内存的次数，也就可以提高整体程序的效率了

见以下代码：

//多线程引起  bug
public class Demo19 {
    private static int isQuit = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(()->{
           while (isQuit ==0){
               //循环体里啥都没干
               //此时意味着这个循环，一秒钟会执行很多次
           }
            System.out.println("t1 退出");
        });
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("请输入 isQuit ：>");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            //一旦用户输入的值，不为0，此时就会使t1线程结束
            isQuit = scanner.nextInt();
        });
        t2.start();
    }
}

这段代码我们的预期是：用户输入非 0 值之后，t1线程要退出~

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但是当我们输入非 0 值之后，此时的t1线程并没有退出

我们可以通过jconsole来看看它此时的运行状态

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很明显，实际效果和预期效果不一样。
这是由于多线程引起的bug.也是线程安全问题！！

之前是两个线程，同时修改同一个变量，现在是一个线程读，一个线程修改，也可能会有问题。

此处问题，实际上就是内存可见性情况引起的~

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编译器的优化，初心其实是好的，希望能够提高程序的效率，但是优化错咯。因为提高效率的前提是要保证逻辑不变，但是此时由于修改isQuit代码是另外一个线程的操作，编译器没有正确的判定，所以编译器以为没人修改isQuit，就做出上述的优化，也就导致bug了~

此时解决方案就是：volatile

在多线程环境下，编译器对于是否要进行这样的优化，判定不一定准，就需要我们通过volatile关键字，告诉编译器，你不要优化！（优化，是算的快了，但是算的不准了）

public class Demo20 {
    private volatile static int isQuit = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            while (isQuit ==0){
                //循环体里啥都没干
                //此时意味着这个循环，一秒钟会执行很多次
            }
            System.out.println("t1 退出");
        });
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("请输入 isQuit ：>");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            //一旦用户输入的值，不为0，此时就会使t1线程结束
            isQuit = scanner.nextInt();
        });
        t2.start();
    }
}

在这里插入图片描述

不过

public class Demo19 {
    private static int isQuit = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            while (isQuit ==0){
                //循环体里啥都没干
                //此时意味着这个循环，一秒钟会执行很多次
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("t1 退出");
        });
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("请输入 isQuit ：>");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            //一旦用户输入的值，不为0，此时就会使t1线程结束
            isQuit = scanner.nextInt();
        });
        t2.start();
    }
}

此时没加volatile,但是给循环里加了个sleep
此时，t1线程是可以顺利退出的！
加了sleep之后，while循环执行速度就慢了.
由于次数少了，load操作的开销，就不大了.
因此，优化也就没必要进行了.
没有触发load的优化，也就没有触发内存可见性问题了.
到底啥时候代码有优化，啥时候没有？也说不清~~
使用volatile是更靠谱的选择

这里稍微总结一下:

内存可见性也是属于一种线程安全的情况。

这都是编译器进行代码优化搞出来的bug，代码优化是非常普遍的情况，编译器为了进一步提高代码的执行效率，会在保持逻辑不变的情况下，调整生成代码的内容。

但是如果是多线程的代码，代码优化就有可能会出现误判，优化之后的代码逻辑和之前的就不一样了~

其次，关于内存可见性，还涉及到一个关键概念

JMM（Java Memory Model）

Java内存模型 -> Java规范文档的叫法

JMM主要关注以下几个方面：

可见性（Visibility）：保证一个线程对共享变量的修改对其他线程是可见的。当一个线程修改了一个共享变量的值后，其它线程能够看到这个修改。
原子性（Atomicity）：保证对于一个共享变量的读写操作是原子性的，不会出现中间状态。
有序性（Ordering）：保证程序执行的结果与源代码的顺序一致。对于一段代码的执行，可能会进行指令重排序优化，但是不能改变执行结果的顺序。

JMM使用了一些机制来实现这些特性，如内存屏障（Memory Barrier）、volatile关键字、锁、synchronized等。这些机制帮助Java编译器和运行时环境协同工作，以保证多线程程序的正确性。

理解JMM对于编写正确且高效的多线程程序非常重要。遵循JMM的规则可以避免在多线程程序中出现各种内存可见性、原子性和有序性的问题。

总结来说，JMM定义了Java程序在多线程环境下共享变量的访问规则，保证了多线程程序的正确性和可预测性。

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volatile和synchronized都能对线程安全起到一定的积极作用，但是他们也是各司其职的，volatitl是不能保障原子性的~

volatile 和 synchronized 有着本质的区别. synchronized 能够保证原子性, volatile 保证的是内存可见性.

不保证原子性

看下面例子：

public class VolatileExample {
    private static volatile int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter++;
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter++;
            }
        }).start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Counter: " + counter);
    }
}

在上面的例子中，我们有两个线程对 counter 变量进行递增操作。counter 被声明为 volatile，所以每个线程都能够立即看到对 counter 的修改。

但是，由于 counter++ 不是一个原子操作，而是由读取变量、加1、写回变量三个步骤组成。在多线程环境下运行时，一个线程对 counter 的修改可能被另一个线程打断，导致数据不一致的问题。

比如，一个线程读取了 counter 变量的值为10，准备将其加1变为11，但这时被另一个线程打断，修改为11的 counter 写回变为10，然后再将其加1变为11。

由于 volatile 不能保证多个线程同时对同一个变量进行原子操作，所以在上面的代码中，最终打印的结果可能会小于预期的2000。

如果需要保证变量的原子性，可以使用原子类（比如 AtomicInteger）或加锁机制（比如 synchronized 或 Lock）。这些机制能够确保对变量的修改是原子性的，从而避免了竞态条件和数据不一致性的问题。

总结来说，虽然 volatile 关键字可以保证变量的可见性和禁止指令重排序，但它并不能提供变量操作的原子性。如果需要保证原子性，应该使用原子类或加锁机制。

wait 和 notify

多线程中比较重要的机制~是用来协调多个线程的执行顺序

因为本身多个线程的执行顺序是随机的（系统随机调度，抢占式执行的）

所以很多时候，我们希望能够通过一定的手段，协调的执行顺序。

比如说join，它是影响到线程结束的先后顺序，但是相比之下，此处是希望线程不结束，也能够有先后顺序的控制。

wait：等待，让指定线程进入阻塞状态

notify：通知，唤醒对应的阻塞状态的线程

join等待的过程和“主线程”没有直接的联系，哪个线程调用join哪个线程就阻塞。

public class Demo18 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("t1 结束！");
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    t1.join();
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("t2 结束！");
        });
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println("主线程结束！");
    }
}

wait和notify都是Object的方法

随便定义一个对象都可以wait notify

wait()

我们先给一个示例代码：

public class Demo19 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
            System.out.println("wait 之前");
            object.wait();
            System.out.println("wait 之后");
    }
}

然而这里会报错：

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IllegalMonitorStateException非法的监视器异常

而什么是监视器呢？

synchronized：也叫做监视器锁

wait 在执行要做的三件事情:

_{公平，公平，还是他妈的公平！（buhsi）}

释放当前的锁
让线程进入阻塞
当线程被唤醒, 重新尝试获取这个锁.

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修改代码：

public class Demo19 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
        synchronized (object) {
            System.out.println("wait 之前");
            //把 wait 放入 synchronized 里面来调用，保证确实是拿到锁
            object.wait();
            // wait 会持续地阻塞等待下去，直到其他线程调用 notify 唤醒

            System.out.println("wait 之后");
        }
    }
}

所以这串的代码的wait，就会持续等待，直到其他线程调用notify唤醒

在这里插入图片描述

wait除了默认的无参数版本之外，还有一个带参数的版本.
带参数的版本就是指定超时时间，
避免wait无休止的等待下去

notify()

先看示例代码：

// notify 唤醒
public class Demo20 {
    public static void main(String[] args) {
        Object object = new Object();
        Thread t1 = new Thread(()->{
            synchronized (object){
                System.out.println(" wait 之前");
                try {
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(" wait 之后");
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (object){
                System.out.println(" 进行通知 ");
                object.notify();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

方法notify()也要在同步方法或同步块中调用，该方法是用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其它线程，对其发出通知notify，并使它们重新获取该对象的对象锁。
如果有多个线程等待，则有线程调度器随机挑选出一个呈 wait 状态的线程。(并没有 “先来后到”)
在notify()方法后，当前线程不会马上释放该对象锁，要等到执行~方法的线程将程序执行完，也就是退出同步代码块之后才会释放对象锁。

线程饿死

使用wait notify可以避免线程饿死~

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针对上述情况，同样也可以使用wait notify来解决

可以让1号loopy，在发现没钱的时候，就进行wait（wait内部本身就会释放锁，并且进入阻塞）

那么1号loopy就不会参与后续的竞争了，也把锁释放出来让别人取，就给其他的loopy提供了机会~

在wait的过程是等，等待运钞车将钱送过来，运钞车的线程就相当于调用notify唤醒的线程，这个等的状态时阻塞的，什么都不做，也就不会占据cpu。

当线程调用了一个对象的 wait 方法时，它进入了该对象的等待集（wait set），并释放了持有的锁。

在这里，我们假设有多个线程都在等待这个对象上。

当另一个线程调用了相同对象的 notify 方法时，它会随机选择一个线程，从等待集中唤醒一个线程，使其从等待状态转移到可运行状态。被唤醒的线程会重新尝试获取锁，并从 wait 方法返回继续执行。
而 notifyAll 方法则会唤醒所有在等待集中的线程，使它们从等待状态转移到可运行状态。每个被唤醒的线程都会尝试重新获取锁，并从 wait 方法返回继续执行。

在唤醒的时候，wait要涉及一个重新获取锁的过程，也是需要串行执行的。

这种等待和唤醒的机制通常用于线程间的协作和同步。例如，当一个线程需要等待某个条件满足时，它可以调用对象的 wait 方法，而其他线程则可以在某个条件满足时调用 notify 或 notifyAll 方法来唤醒等待的线程。

需要注意的是，wait、notify、notifyAll 都必须在同步代码块（synchronized）或同步方法中使用，以确保线程的安全性和正确性。

因此，综上，虽然提供了notifyAll，但是相比之下notify更可控，使用的频率高一些。

至此，多线程的基础知识就介绍到这里，接下来会详细聊聊多进程的进阶，敬请期待~