多线程-指令重排序、synchronized、volatile关键字

会又不会

已于 2024-12-09 18:35:43 修改

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分类专栏：多线程文章标签： java

于 2024-12-09 18:35:11 首次发布

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线程的状态

观察线程的所有状态

NEW: 安排了工作, 还未开始行动
RUNNABLE: 可工作的. 又可以分成正在工作中和即将开始工作.
BLOCKED: 这几个都表示排队等着其他事情
WAITING: 这几个都表示排队等着其他事情
TIMED_WAITING: 这几个都表示排队等着其他事情
TERMINATED: 工作完成了.

[外链图片转存中...(img-ERwdA3rA-1733738604891)]

把小二找来，给他安排任务，没让他行动起来，就是 NEW 状态；

当小二开始去窗口排队，等待服务，就进入到 RUNNABLE 状态。该状态并
不表示已经被银行工作人员开始接待，排在队伍中也是属于该状态，即可被
服务的状态，是否开始服务，则看调度器的调度;

当小二因为一些事情需要去忙，例如需要填写信息、回家取证件、发呆一会
等等时，进入BLOCKED 、 WATING 、 TIMED_WAITING 状态；

如果小二已经忙完，为 TERMINATED 状态。

代码重排序

一段代码是这样的：

去快递点寄个快递
回家放快递
去快递点取下个快递

正常按我们编程的逻辑，按1->2->3的方式执行。
如果是在单线程情况下，JVM、CPU指令集会对其进行优化，比如，按 1->3->2的方式执行，也是没问题，可以少跑一次快递点。这种叫做指令重排序。

编译器对于指令重排序的前提是 "保持逻辑不发生变化". 这一点在单线程环境下比较容易判断, 
但是在多线程环境下就没那么容易了, 多线程的代码执行复杂程度更高, 编译器很难在
编译阶段对代码的执行效果进行预测, 因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价.

synchronized 关键字

synchronized 的特性

1.互斥

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待.

进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于加锁
退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于解锁

synchronized用的锁是存在Java对象头里的

可以粗略理解成, 每个对象在内存中存储的时候, 都存有一块内存表示当前的 “锁定” 状态(类似于厕所的 “有人/无人”).
如果当前是 “无人” 状态, 那么就可以使用, 使用时需要设为 “有人” 状态.
如果当前是 “有人” 状态, 那么其他人无法使用, 只能排队

阻塞等待

针对每一把锁, 操作系统内部都维护了一个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候, 其他线程尝试进行加锁, 就加不上了, 会阻塞等待, 一直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒一个新的线程, 再来获取到这个锁.

注意:

上一个线程解锁之后, 下一个线程并不是立即就能获取到锁. 而是要靠操作系统来 “唤醒”. 这也就是操作系统线程调度的一部分工作.
假设有 A B C 三个线程, 线程 A 先获取到锁, 然后 B 尝试获取锁, 然后 C 再尝试获取锁, 此时 B 和 C 都在阻塞队列中排队等待. 但是当 A 释放锁之后, 虽然 B 比 C 先来的, 但是 B 不一定就能获取到锁, 而是和 C 重新竞争, 并不遵守先来后到的规则.

synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的.

2.刷新内存

synchronized 的工作过程:

获得互斥锁
从主内存拷贝变量的最新副本到工作的内存
执行代码
将更改后的共享变量的值刷新到主内存
释放互斥锁

所以 synchronized 也能保证内存可见性.

3.可重入

synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；

把自己锁死

一个线程没有释放锁, 然后又尝试再次加锁.

// 第一次加锁, 加锁成功
lock();
// 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待. 
lock();

不可重入锁

按照之前对于锁的设定, 第二次加锁的时候, 就会阻塞等待. 直到第一次的锁被释放, 才能获取到第二个锁. 但是释放第一个锁也是由该线程来完成, 结果这个线程已经开躺了, 啥也不干, 也就无法进行解锁操作. 这时候就会死锁.

这样的锁称为 不可重入锁

Java 中的 synchronized 是 可重入锁, 因此没有上面的问题

synchronized 使用

synchronized 本质上要修改指定对象的 “对象头”. 从使用角度来看, synchronized 也势必要搭配一个具
体的对象来使用.

1) 直接修饰普通方法: 锁的 SynchronizedDemo 对象

public class SynchronizedDemo {
    public synchronized void methond() {
    }
}

2) 修饰静态方法: 锁的 SynchronizedDemo 类的对象

public class SynchronizedDemo {
    public synchronized static void method() {
    }
}

3) 修饰代码块 明确指定锁哪个对象.

锁当前对象

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            
       }
   }
}

锁类对象

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
       }
   }
}

两个线程竞争同一把锁, 才会产生阻塞等待.
两个线程分别尝试获取两把不同的锁, 不会产生竞争.

volatile 关键字

volatile 能保证内存可见性

volatile 修饰的变量, 能够保证 “内存可见性”.

在这里插入图片描述

代码在写入 volatile 修饰的变量的时候,

改变线程工作内存中volatile变量副本的值
将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存

代码在读取 volatile 修饰的变量的时候,

从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中
从工作内存中读取volatile变量的副本

volatile 不保证原子性

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.

synchronized 也能保证内存可见性

synchronized 既能保证原子性, 也能保证内存可见性.

wait 和 notify

wait() / wait(long timeout): 让当前线程进入等待状态.
notify() / notifyAll(): 唤醒在当前对象上等待的线程.

wait, notify, notifyAll 都是 Object 类的方法.

wait()方法

wait 做的事情:

使当前执行代码的线程进行等待. (把线程放到等待队列中)
释放当前的锁
满足一定条件时被唤醒, 重新尝试获取这个锁.

注意：wait 要搭配 synchronized 来使用. 脱离 synchronized 使用 wait 会直接抛出异常.

wait 结束等待的条件:

其他线程调用该对象的 notify 方法.
wait 等待时间超时 (wait 方法提供一个带有 timeout 参数的版本, 来指定等待时间).
其他线程调用该等待线程的 interrupted 方法, 导致 wait 抛出 InterruptedException 异常.

notify()方法

notify 方法是唤醒等待的线程.

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notify()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。

例：

使用notify()方法唤醒线程

创建 WaitTask 类, 对应一个线程, run 内部循环调用 wait.
创建 NotifyTask 类, 对应另一个线程, 在 run 内部调用一次 notify
注意, WaitTask 和 NotifyTask 内部持有同一个 Object locker. WaitTask 和 NotifyTask 要想配合就需要搭配同一个 Object.

static class WaitTask implements Runnable {
    private Object locker;
    public WaitTask(Object locker) {
        this.locker = locker;}
    @Override
    public void run() {
        synchronized (locker) {
            while (true) {
                try {
                    System.out.println("wait 开始");
                    locker.wait();
                    System.out.println("wait 结束");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}
static class NotifyTask implements Runnable {
    private Object locker;
    public NotifyTask(Object locker) {
        this.locker = locker;
    }
    @Override
    public void run() {
        synchronized (locker) {
            System.out.println("notify 开始");
            locker.notify();
            System.out.println("notify 结束");
        }
    }
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Object locker = new Object();
    Thread t1 = new Thread(new WaitTask(locker));
    Thread t2 = new Thread(new NotifyTask(locker));
    t1.start();
    Thread.sleep(1000);
    t2.start();
}

notifyAll()方法

notify方法只是唤醒某一个等待线程. 使用notifyAll方法可以一次唤醒所有的等待线程

例

static class WaitTask implements Runnable {
    ~~~
}
static class NotifyTask implements Runnable {
    ~~~
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Object locker = new Object();
    Thread t1 = new Thread(new WaitTask(locker));
    Thread t3 = new Thread(new WaitTask(locker));
    Thread t4 = new Thread(new WaitTask(locker));
    Thread t2 = new Thread(new NotifyTask(locker));
    t1.start();
    t3.start();
    t4.start();
    Thread.sleep(1000);
    t2.start();
}

调用 notify 只能唤醒一个线程

把 notify 替换成 notifyAll

public void run() {
    synchronized (locker) {
        System.out.println("notify 开始");
        locker.notifyAll();
        System.out.println("notify 结束");
    }
}