Day8：多线程（6）

回顾

Ⅰ.可重入特性：同一个线程针对同一个对象，多次加锁（嵌套枷锁），解决可重入问题：

• 需要让锁对象记录哪个线程持有的锁
• 引入引用计数

Ⅱ.死锁：由于不正确的加锁，导致程序中的某些线程被卡死了（严重bug）

• 一个线程，一把锁，连续加锁多次，并且这个锁是不可重入锁（synchronized不适用）
• 两个线程，两把锁，线程1获取到锁A，线程2获取到锁B，然后线程1和线程2分别尝试获取对方的锁
• N个线程，M把锁：哲学家就餐问题，可以用银行家算法解决

Ⅲ.产生死锁的必要条件（缺一不可）

• 互斥（锁的基本特性）
• 不可抢占/不可剥夺（锁的基本特性）
• 请求和保持
• 循环等待

避免锁嵌套使用，如果确实需要嵌套使用锁，一定要约定好加锁的顺序

1. 内存可见性问题

1.1 内存可见性问题介绍

package thread;

import java.util.Scanner;

public class Demo23 {

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            while (count==0){

            }
            System.out.println("t1执行结束");
        });

        Thread t2 =new Thread(()->{
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("请输入一个整数：");
            count = scanner.nextInt();
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

预期效果：t1首先会进入循环，用户输入非0整数，就会使t1线程退出循环，结束线程

但是t1实际上并没有真正出现退出的情况，上述问题产生的原因，就是内存可见性，上述代码，是一个线程写，一个线程读，下面通过站在指令的角度来理解：

while (count==0){

}

上述while循环涉及如下指令：

• load：从内存读取count数据到cpu寄存器
• cmp：比较的同时会产生跳转
  • 条件成立，继续顺序执行；
  • 条件不成立，就跳转到另一个地址来执行

于是产生了内存可见性问题：

• 由于上述代码，循环体是空着的，后续就没有别的指令
• 当前循环体速度很快，短时间内出现大量的load和cmp反复执行的效果，load执行消耗的时间会比cmp多很多
• 另外，JVM还发现每次load执行的结果，其实是一样的（在t2修改之前），干脆JVM就把上述load操作优化掉了，只是第一次真正进行load，后续再执行到对应的代码，就不再真正load了，而是直接读取刚才已经load过的寄存器中的值了

上述过程,确实是多线程产生的问题，但是另一方面，也是编译器优化/VM优化产生的问题，正常来说，优化操作，需要保证逻辑是等价的。但是很遗憾，编译器/JVM 在单线程代码中，优化是比较靠谱的，一旦程序引入多线程了编译器/JVM 判断也就不那么准确了

但是，如果上述代码中，循环体内存在IO操作或者阻塞操作（sleep），这就会使循环的执行速度大幅度降低，由于IO操作不能被优化掉（IO操作反复执行的结果是不相同的），而且IO操作的速度慢于load，于是此时就没有优化load的必要的

1.2 内存可见性问题解决

引入volatile关键字，给变量修饰上这个关键字之后，此时编译器就知道这个变量是“反复无常的”，不饿能按照上述策略进行优化了

package thread;

import java.util.Scanner;

public class Demo23 {
    private volatile static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (count == 0) {
            
            }
            System.out.println("t1 执行结束");
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("请输入一个整数: ");
            count = scanner.nextInt();
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

private volatile static int count = 0;：告诉编译器，不要触发上述优化，具体在Java中是让javac生成字节码的时候产生了“内存屏障”（javac生成的特定的字节码）相关的指令，但是这个操作和之前synchronized保证的原子性没有任何关系

volatile是专门针对内存可见性的场景来解决问题的

• 类似的，上述内存可见性也可以使用synchronized在一定程度上解决，引入synchronized是因为加锁操作本身太重量了，相对于load来说，开销更大，编译器自然就不会对load优化了（类似前面讲到的加sleep/IO操作）

• 优化是javac和java配合完成的工作，统称为编译器优化

• 在Java中，编译器有且仅有javac，java是jvm（运行环境）

• IDEA是IDE，是集成开发环境，涵盖代码编译器、依赖管理器、编译器、调试器、工程管理工具等

• 编译器什么时候优化，什么时候不优化，也是一个“玄学”问题

JMM：Java内存模型

JMM对上述问题的表述：当t1执行的时候，要从工作内存（CPU寄存器+缓存）中读取count的值，而不是从主内存中，后续t2修改count，也是会先修改工作内存，同步拷贝到主内存，但是由于t1没有重新读取主内存，最终导致t1没有感知到t2的修改

2. 线程的等待通知机制

之前提到的join是等待线程结束，此处提到的等待通知，等待代码中会给我们进行显式的通知（不一定要结束），可以更加精细的控制线程之间的执行顺序了

系统内部，线程是抢占式执行，随即调度的，程序员也是有手段干预的，通过“等待”的方式，能够让线程一定程度的按照预期的顺序来执行，虽然无法主动让某个线程被调度，但是可以主动让某个线程等待（就给别的线程机会了）

2.1 线程饿死

如果某个线程频繁获取释放锁，由于获取的太快，以至于其他线程得不到CPU资源，这种问题称为线程饿死

系统中的线程调度是无序的，上述情况很可能出现，虽然不会像死锁那样卡死，但是可能会卡住一下，对于程序的效率是有影响的

例子

• 比如：1号线程要进行某个工作，进行这个工作，需要前提条件，如果前提条件不满足，就得稍后重试
• 比如：某个线程要从一个队列中读取元素，结果当前队列是空着的，就只能稍后读取了

2.2 等待通知机制

等待通知机制就能够解决上述问题

通过条件，判定当前逻辑是否能够执行，如果不能执行，就主动wait（主动进行阻塞），这样就把执行的机会让给别的线程了，避免该线程进行一些无意义的重试，等到后续条件时机成熟了（需要其他线程进行通知），再让阻塞的线程被唤醒

2.2.1 wait

package thread;

public class Demo24 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
        System.out.println("等待之前");
        synchronized (object){
            object.wait();
        }
        System.out.println("等待之后");
    }
}

• object.wait();是Object类提供的方法，任何一个对象都有这个方法

• 此处wait也是会被Interrupt打断，wait和sleep一样，能够自动清空标志位

• wait内部做的事情不仅仅是阻塞等待，还要解锁，准且来说，wait解锁的同时进行等待，相比之下sleep是阻塞等待但是和锁无关，所以线程得先加上锁，那么，wait必须放到synchronized内部使用

2.2.2 notify

通过另一个线程，调用notify来唤醒阻塞的线程

package thread;

import java.util.Scanner;

public class Demo25 {
    public static void main(String[] args) {
        Object locker = new Object();

        Thread t1 = new Thread(() ->{
            synchronized (locker){
                System.out.println("t1等待之前");
                try {
                    locker.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("t1等待之后");
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() ->{
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            synchronized (locker){
                System.out.println("t2通知之前");
                // 借助 scanner 控制阻塞. 用户输入之前, 都是阻塞状态.
                scanner.next();
                locker.notify();
                System.out.println("t2通知之后");
            }

        });

        t1.start();
        t2.start();

    }
}

用户输入内容之后，此时就会使next接触阻塞，进一步的执行到notify，notify就会唤醒上述wait操作，从而使t1能够回到RUNNABLE状态，并且参与调度

倘若：t2先执行，有可能t2先执行了notify，此时t1还没有wait，那么locker上没有现成的wait，直接notify不会有任何效果（也不会抛出异常），但是后续t1进入wait之后，没有别的线程将其唤醒了

package thread;

public class Demo26 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object locker = new Object();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                System.out.println("t1 等待之前");
                try {
                    locker.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("t1 等待之后");
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                System.out.println("t2 等待之前");
                try {
                    locker.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("t2 等待之后");
            }
        });

        Thread t3 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                System.out.println("t3 通知之前");
                locker.notify();
                System.out.println("t3 通知之后");
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        Thread.sleep(100);
        t3.start();
    }
}

notify只能唤醒多个等待线程中的一个，notify唤醒的线程是随机的

locker.wait(1000);：超过1000ms还没有被notify，就自动唤醒

locker.notifyAll();：唤醒所有的等待线程