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JavaEE初阶第八期：解锁多线程，从 “单车道” 到 “高速公路” 的编程升级（六）

news 2025/7/10 11:36:16

专栏：JavaEE初阶起飞计划

个人主页：手握风云

一、volatile关键字

1.1. 原理

1.2. Java memory model(Java内存模型)

1.3. volatile与synchronized的区别

二、wait和notify

2.1. wait()方法

2.2. notify()方法

2.3. notifyAll()方法

一、volatile关键字

1.1. 原理

当给变量添加了volatile关键字后，当编译器看到volatile的时候，就会提醒JVM运行的时候不进行上述的优化。具体来说，在读写volatile变量的前后指令添加“内存屏障相关的指令”。

1.2. Java memory model(Java内存模型)

首先一个Java进程，会有一个“主内存”存储空间，每个Java线程又会有自己的“工作内存”存储空间。形如下面的代码，t1进行flag变量的判定，就会把flag值从主内存先读取到工作内存，用工内存中的值进行判定。同时t2对flag进行修改，修改的则是主内存的值，主内存中的值不会影响到工作内存中的值。这里的工作内存相当于是打了个比方，本质上是CPU的寄存器和CPU的缓存构成的统称。

import java.util.Scanner;public class Demo1 {private static int flag = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag == 0) {}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入flag的值:");flag = in.nextInt();System.out.println("t2线程结束");});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();}
}

其实，存储数据，不光是只有内存，外存（硬盘）、CPU寄存器、CPU上的缓存。

上图中的缓存也是CPU上存储数据的单元。寄存器能存数据，但是空间小；内存能存数据，空间大，但是速度慢。为了能够更好地协调寄存器和内存的数据同步，因此现代CPU都引入了缓存。CPU的缓存，空间比寄存器要大，速度比内存快。

上图中，越往上，速度就越快，空间就越小，成本就越高。编译器优化，把本身从内存读取的值，优化成从寄存器或者L1缓存、L2缓存、L3缓存中读取。

编译器优化，并非是100%触发，根据不同的代码结构，可能产生出不同的优化效果。形如下面的代码

import java.util.Scanner;public class Demo2 {private static int flag = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag == 0) {try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入flag的值:");flag = in.nextInt();System.out.println("t2线程结束");});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();}
}

虽然没写volatile，但是加了sleep也不会触发上述优化：1. 循环速度大幅度降低了；2. 有了sleep之后，一次循环的瓶颈就不是load，在于sleep上，此时优化也没什么用；3. sleep本身会触发线程调度，调度过程触发上下文切换，再次加载也会触发这个值重新读取了。

如下代码，我们改为一个静态成员变量count，会发现count也会触发优化。

import java.util.Scanner;public class Demo2 {private static int flag = 0;private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag == 0) {count++;}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入flag的值:");flag = in.nextInt();System.out.println("t2线程结束");});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();}
}

1.3. volatile与synchronized的区别

public class Demo3 {private static volatile int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50_000; i++) {count++;}});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50_000; i++) {count++;}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(count);}
}

volatile这个关键字，能够解决内存可见性引起的线程安全问题，但是不具备原子性这样的特点。synchronized和volatile是两个不同的维度，synchronized是针对两个线程进行修改，而volatile是读取一个线程，另一个修改。

二、wait和notify

因为线程调度的顺序是不确定的，那我们就得保证每一种可能下都是正确的，就有点难搞了。我们之前提到过，join()方法可以控制线程的结束顺序。两个线程在运行的时候，我们希望是持续执行下去，但是两个线程中的某些环节，我们希望是能够有一定的顺序。

例如，假设有线程1和线程2。我们希望线程1先执行完某个逻辑后，再让线程2执行，此时就可以让线程2通过wait()主动进行阻塞，让线程1先参与调度。等线程1执行完对应的逻辑后，就可以通过notify()唤醒线程2。

另外wait和notify也能解决线程饿死的问题。线程饿死指的是在多线程编程中，某个或某些线程由于长时间无法获取到执行所需的资源，导致其任务迟迟无法完成，甚至永远无法执行的情况。简而言之，就是某个线程“饿着肚子”等了很久，但一直没能得到“食物”。

如下图所示，当一个滑稽老铁进入ATM机里面取钱时，会进行上锁，其他滑稽老铁就必须在外面阻塞等待。当先进去的滑稽老铁发现ATM机里面没钱，便出去，而后又怀疑自己是不是看错了，于是又再次进入ATM机……如此循环往复，造成其他线程无法去CPU上执行，导致线程饿死。

线程饿死不像死锁那么严重。死锁发生之后，就会僵持住，除非程序重启，否则一直卡住。线程饿死，其他线程还是有一定机会拿到锁的，只是拿到锁的时间会延迟，降低程序的效率。

注意：wait、notify、notifyAll都是Object类里的方法。Java中任何一个类，都会有上述三种方法。

2.1. wait()方法

public class Demo4 {public static void main(String[] args) {Object o = new Object();System.out.println("wait之前");o.wait();System.out.println("wait之后");}
}

在Java标准库中，但凡涉及到阻塞类的方法，都有可能抛出InterruptedException异常，所以我们这里也要在前面加上InterruptedException异常。

public class Demo4 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object o = new Object();System.out.println("wait之前");o.wait();System.out.println("wait之后");}
}

但我们一运行程序之后，在打印“wait之前”语句后出现了IllegalMonitorStateException异常。此处的Monitor指的是sychronized，因为sychronized在JVM的底层实现被称为“监视器锁”。上面的异常是指锁的状态不符合预期。wait内部的第一件事就是释放锁，但释放锁的前提是得先拿到锁。像前面提到的滑稽老铁发现ATM机里面没有钱，如果滑稽老铁在里面等，意味着一直持有这个锁，其他人进不来。wait方法就要搭配sychronized使用。

public class Demo4 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object o = new Object();System.out.println("wait之前");synchronized (o) {o.wait();}System.out.println("wait之后");}
}

此处的阻塞会持续进行，直到其他线程调用notify。

import java.util.Scanner;public class Demo5 {private static Object locker = new Object();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {System.out.println("t1等待之前");synchronized (locker) {try {locker.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t1等到之后");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入任意内容，唤醒t1");in.next();// 必须是同一个锁对象synchronized (locker) {locker.notify();}});t1.start();t2.start();}
}

wait要做的事情：

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

使用wait的时候，阻塞其实是有两个阶段的：1. WAITING的阻塞，通过wait等待其他线程的通知；2. BLOCKED的阻塞，当收到通知之后，就会重新获取锁，可能又会遇到锁竞争。假设notify后面还有别的逻辑，此时锁就会多占用一会儿。

默认情况下，wait的阻塞是死等。wait也可以设置参数等待时间的上限。

import java.util.Scanner;/*** @author gao* @date 2025/7/9 20:54*/public class Demo6 {private static Object locker = new Object();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {System.out.println("t1等待之前");synchronized (locker) {try {// t1在1000ms内没有收到任何通知，就会自动唤醒locker.wait(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t1等待之后");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入任何内容，唤醒t1");in.next();synchronized (locker) {locker.notify();}});t1.start();t2.start();}
}

2.2. notify()方法

import java.util.Scanner;public class Demo7 {public static Object locker = new Object();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {System.out.println("t1等待之前");synchronized (locker) {try {locker.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t1等待之后");});Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println("t2等待之前");synchronized (locker) {try {locker.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t2等待之后");});Thread t3 = new Thread(() -> {System.out.println("t3等待之前");synchronized (locker) {try {locker.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t3等待之后");});Thread t4 = new Thread(() -> {Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("输入任意内容，唤醒一个线程：");in.next();synchronized (locker) {locker.notify();}});t1.start();t2.start();t3.start();t4.start();}
}

这里我们就唤醒了t3线程，而其他两个线程还在阻塞等待。我们多运行几次，结果也会不同。注意，这里操作系统的随机调度并不是概率论里的概率均等，而是无法预测的。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。

2.3. notifyAll()方法

使⽤notifyAll⽅法可以⼀次唤醒所有的等待线程。

import java.util.Scanner;public class Demo8 {private static Object locker = new Object();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {System.out.println("t1等待之前");synchronized (locker) {try {locker.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t1等待之后");});Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println("t2等待之前");synchronized (locker) {try {locker.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t2等待之后");});Thread t3 = new Thread(() -> {System.out.println("t3等待之前");synchronized (locker) {try {locker.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("t3等待之后");});Thread t4 = new Thread(() -> {Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("输入任意内容，唤醒一个线程：");in.next();synchronized (locker) {locker.notifyAll();}});t1.start();t2.start();t3.start();t4.start();}
}