Java 多线程（二）线程间通信

一、volatile关键字

  volatile修饰成员变量，告知程序任何对该变量的访问均需要从共享内存中获取，而对它的改变必须同步刷新回共享内存，它能保证所有线程对变量访问的可见性。
  happen-before规则：如果a happen-before b，则a所做的任何操作对b是可见的。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫做内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。
  volatile只能保证对单次读/写的原子性，改volatile变量分为四步：1）读取volatile变量到local；2）修改变量值；3）local值写回 ；4）插入内存屏障，即lock指令，让其他线程可见。前三步都是不安全的，取值和写回之间，不能保证没有其他线程修改。

public class Test implements Runnable {
    private volatile int a = 0;
    public void update() {
        a++;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10);  //增加并发几率
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.update();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(test).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(test.a); //输出的值不确定
    }
}

  适用场景：
  1）对变量的写操作不依赖于当前值；
  2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

image.png

二、synchronized关键字

  synchronized用来修饰方法或者代码块。确保多个线程在同一时刻，只能有一个线程处于方法或同步块中，它保证线程对变量的访问的可见性和排他性。

public class Test implements Runnable {
    private volatile int a = 0;
    public synchronized void update() {
        a++;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.update();
    }
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (Test.class){
            
        }
        Test test = new Test();
        new Thread(test).start();
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(test.a);
    }
}

  通过如下命令查看字节码文件：

javac Test.java
javap -v Test.class

图2-1 字节码同步块.png

图2-2 字节码同步方法.png

  通过查看字节码文件，synchronized对于同步块的实现使用了monitorenter和monitorexit指令，同步方法依靠方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现。本质都是通过对一个对象的监视器（monitor）来实现，同一时刻只能有一个线程获取到有synchronized所保护对象的监视器（排他性）。

image.png

image.png

三、等待/通知机制

  等待/通知经典范式，分为等待方（消费者）和通知方（生产者）。等待方：1）获取对象的锁；2）如果条件不满足，那么调用对应的wait()方法，被通知后仍要检查条件；3）条件满足则执行对应的逻辑。

//伪代码
synchronized(对象){
    while(条件不满足){
          对象.wait();
    }
      对应的处理逻辑
}

  通知方：1）获取对象的锁；2）改变条件；3）通知所有等待在对象上的线程。

//伪代码
synchronized(对象){
    改变条件
    对象.notifyAll();
}

  等待方Consumer代码如下所示：

class Consumer implements Runnable {
    private LinkedList list;
    public Consumer(LinkedList list) {
        this.list = list;
    }
    public void update() {
        list.remove();
        System.out.println("开始消费！！！" + list.size());
        list.notifyAll();
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (list) {
                while (list.size() == 0) {
                    try {
                        System.out.println("不够吃！！！" + list.size());
                        list.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                this.update();
            }
        }
    }
}

  通知方Producer代码如下所示：

class Producer implements Runnable {
    private LinkedList list;
    public Producer(LinkedList list) {
        this.list = list;
    }
    public void update() {
        list.add("hello" + Math.random());
        System.out.println("开始生产！！！" + list.size());
        list.notifyAll();
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (list) {
                while (list.size() == 10) {
                    try {
                        list.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("已满！！！");
                }
                this.update();
            }
        }
    }
}

  测试类代码如下所示：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList list = new LinkedList<>();

        Consumer consumer = new Consumer(list);
        Producer producer = new Producer(list);

        Thread t2 = new Thread(consumer);
        Thread t3 = new Thread(consumer);
        t2.start();
        t3.start();

        Thread t = new Thread(producer);
        t.start();
    }
}