Tutoriel détaillé sur le modèle de mémoire de thread en Java

Modèle de mémoire de thread Java

Tous les threads partagent la mémoire principale, chaque thread a sa propre mémoire de travail

refreshing local memory to/from main memory must comply to JMM rules

Raisons de la sécurité des threads

La mémoire de travail du thread est une description abstraite des registres et du cache du processeur : dans les ordinateurs d'aujourd'hui, lorsque le processeur calcule, il ne lit pas toujours les données à partir de la mémoire, sa priorité d'ordre de lecture des données est : Register-Cache-Memory. Les threads consomment du processeur. Lorsque les threads calculent, les données d'origine proviennent de la mémoire. Pendant le processus de calcul, certaines données peuvent être lues fréquemment dans les registres et les caches. Une fois les calculs terminés, ces données mises en cache doivent être réécrites. en mémoire le cas échéant. Lorsque plusieurs threads lisent et écrivent certaines données de mémoire en même temps, des problèmes de concurrence multithread se produisent, impliquant trois caractéristiques : l'atomicité, l'ordre et la visibilité. Les plates-formes prenant en charge le multi-threading seront confrontées à ce problème, et les langages prenant en charge le multi-threading exécutés sur des plates-formes multi-thread devraient apporter des solutions à ce problème.

JVM est un ordinateur virtuel. Il sera également confronté à des problèmes de concurrence multithread. Les programmes Java exécutés sur la plate-forme de machine virtuelle Java sont impossibles pour les programmeurs Java de contrôler directement l'interaction entre les threads sous-jacents et d'enregistrer la mémoire cache. .La synchronisation, alors Java devrait fournir aux développeurs une solution au niveau de la syntaxe, telle qu'un mécanisme de verrouillage synchronisé, volatile (tel qu'un bloc synchronisé, une file d'attente prête, une file d'attente de blocage), etc. Ces solutions ne se situent qu'au niveau grammatical, mais nous devons les comprendre essentiellement.

Chaque thread a son propre espace d'exécution (c'est-à-dire la mémoire de travail). Lorsqu'un thread utilise une variable lors de son exécution, la variable doit d'abord être utilisée. be Copiez votre propre espace de mémoire de travail à partir de la mémoire principale, puis utilisez les variables : lecture, modification, attribution de valeurs, etc., le tout étant effectué dans la mémoire de travail. Une fois l'opération terminée, les variables sont réécrites. la mémoire principale ;

chaque thread obtient tous des données de la mémoire principale, et les données entre les threads sont invisibles, par exemple : la valeur d'origine de la variable de la mémoire principale A est 1, le thread 1 extrait la variable A de la mémoire principale ; , modifie la valeur de A à 2, et dans le thread 1 Lorsque la variable A n'est pas réécrite dans la mémoire principale, la valeur de la variable A obtenue par le thread 2 est toujours 1

Cela conduit au concept de ; "visibilité" : lorsqu'une variable partagée est dans la mémoire de travail de plusieurs threads Lorsqu'il y a des copies dans la variable partagée, si un thread modifie la valeur de copie de la variable partagée, les autres threads devraient pouvoir voir la valeur modifiée. un problème de visibilité multi-thread.

Situation de variable ordinaire : par exemple, le thread A modifie la valeur d'une variable ordinaire, puis la réécrit dans la mémoire principale. Un autre thread B lit dans la mémoire principale une fois que le thread A a terminé l'opération de réécriture. Seule la valeur de la nouvelle variable sera visible par le thread B ;

Comment garantir la sécurité des threads

Écrire du code thread-safe consiste essentiellement à gérer l'état Accès (état), et état généralement partagé et mutable. L'état ici correspond aux variables de l' objet ( variables statiques et variables d'instance)

Le principe de la sécurité des threads est de savoir si la variable est accessible par plusieurs threads, garantissant que le thread de l'objet Security nécessite l'utilisation de la synchronisation pour coordonner l'accès à son état mutable ; le fait de ne pas le faire peut entraîner des données sales et d'autres conséquences imprévisibles ; Chaque fois que plusieurs threads accèdent à une variable d'état donnée et que l'un des threads écrit dans la variable, la synchronisation doit être utilisée pour coordonner l'accès des threads à la variable. Le principal mécanisme de synchronisation en Java est le mot-clé synchronisé, qui fournit des verrous exclusifs. En plus de cela, le terme « synchronisation » inclut également l'utilisation de variables volatiles, de verrous explicites et de variables atomiques.

Sans synchronisation appropriée, si plusieurs threads accèdent à la même variable, votre programme peut être en danger. Il existe 3 façons de résoudre ce problème :

l Ne partagez pas les variables entre les threads ;

l rendez les variables d'état immuables ou

l chaque fois que vous accédez aux variables d'état, utilisez la synchronisation ;

Volatile nécessite que chaque modification d'une variable par le programme soit réécrite dans la mémoire principale. Cela résout le problème de visibilité pour les autres didacticiels de thread, mais ne peut garantir la cohérence des données. Attention particulière : opérations atomiques : selon ; la spécification Java, les opérations d'affectation ou de valeur de retour aux types de base sont des opérations atomiques. Mais les types de données de base ici n'incluent pas long et double, car l'unité de stockage de base vue par la JVM est de 32 bits, et long et double sont représentés par 64 bits. Par conséquent, il ne peut pas être complété en un seul cycle d'horloge

En termes simples, l'état d'un objet correspond à ses données, qui sont stockées dans des variables d'état, telles que des champs d'instance ou des champs statiques à chaque fois que plusieurs threads y accèdent ; variables d’état données. Et l'un des threads écrira dans la variable. A ce moment, la synchronisation doit être utilisée pour coordonner l'accès du thread à la variable ;

Verrou de synchronisation : Chaque objet JAVA n'a qu'un seul verrou de synchronisation à tout moment. , Au plus un thread est autorisé à posséder ce verrou.

当一个线程试图访问带有synchronized(this)标记的代码块时，必须获得 this关键字引用的对象的锁，在以下的两种情况下，本线程有着不同的命运。

1、 假如这个锁已经被其它的线程占用，JVM就会把这个线程放到本对象的锁池中。本线程进入阻塞状态。锁池中可能有很多的线程，等到其他的线程释放了锁，JVM就会从锁池中随机取出一个线程，使这个线程拥有锁，并且转到就绪状态。

2、 假如这个锁没有被其他线程占用，本线程会获得这把锁，开始执行同步代码块。

（一般情况下在执行同步代码块时不会释放同步锁，但也有特殊情况会释放对象锁

如在执行同步代码块时，遇到异常而导致线程终止，锁会被释放；在执行代码块时，执行了锁所属对象的wait()方法，这个线程会释放对象锁，进入对象的等待池中）

Synchronized关键字保证了数据读写一致和可见性等问题，但是他是一种阻塞的线程控制方法，在关键字使用期间，所有其他线程不能使用此变量，这就引出了一种叫做非阻塞同步的控制线程安全的需求；

ThreadLocal 解析

顾名思义它是local variable（线程局部变量）。它的功用非常简单，就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，是每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会和其它线程的副本冲突。从线程的角度看，就好像每一个线程都完全拥有该变量。

每个线程都保持对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收（除非存在对这些副本的其他引用）。

Object wait()和notify()方法解析

Object的wait（）和notify（）、notifyAll（）方法，使用一个对象作为锁，然后调用wait()就会挂起当前线程，同时释放对象锁；

notify()使用要首先获取对象锁，然后才能唤醒被挂起的线程（因为等待对象锁而挂起的）

notifyAll（）：唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

wait（）在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待。

抛出：  IllegalMonitorStateException  - 如果当前线程不是此对象监视器的所有者

package com.taobao.concurrency;
public class WaitTest {
    public static String a = "";// 作为监视器对象

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        WaitTest wa = new WaitTest();
        TestTask task = wa.new TestTask();
        Thread t = new Thread(task);
        t.start();
        Thread.sleep(12000);
        for (int i = 5; i > 0; i--) {
            System.out.println("快唤醒挂起的线程************");
            Thread.sleep(1000);
        }
        System.out.println("收到，马上！唤醒挂起的线程************");
        synchronized (a) {
            a.notifyAll();
        }
    }

    class TestTask implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            synchronized (a) {
                try {
                    for (int i = 10; i > 0; i--) {
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println("我在运行 ***************");
                    }
                    a.wait();
                    for (int i = 10; i > 0; i--) {
                        System.out.println("谢谢唤醒**********又开始运行了*******");
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

用wait notify 解决生产者消费者问题代码：

package com.taobao.concurrency;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
class Meal {
    private final int orderNum;

    public Meal(int orderNum) {
        this.orderNum = orderNum;
    }

    public String toString() {
        return "Meal " + orderNum;
    }
}

class WaitPerson implements Runnable {
    private Restaurant restaurant;

    public WaitPerson(Restaurant r) {
        this.restaurant = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                synchronized (this) {
                    while (restaurant.meal == null)
                        wait();// ..for the chef to produce a meal
                }
                System.out.println("WaitPerson got" + restaurant.meal);
                synchronized (restaurant.chef) {
                    restaurant.meal = null;
                    restaurant.chef.notifyAll();// ready for another
                }
            }
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("WaitPerson interrupted");
        }
    }
}

class Chef implements Runnable {
    private Restaurant restaurant;
    private int count = 0;

    public Chef(Restaurant r) {
        this.restaurant = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                synchronized (this) {
                    while (restaurant.meal != null)
                        wait();// ...for the meal to be taken
                }
                if (++count == 10) {
                    System.out.println("Out of food,closing");
                    restaurant.exec.shutdownNow();
                }
                System.out.println("Order up!");
                synchronized (restaurant.waitPerson) {
                    restaurant.meal = new Meal(count);
                    restaurant.waitPerson.notifyAll();
                }

            }
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }
}

public class Restaurant {
    Meal meal;
    ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
    WaitPerson waitPerson = new WaitPerson(this);
    Chef chef = new Chef(this);

    public Restaurant() {
        exec.execute(chef);
        exec.execute(waitPerson);
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Restaurant();
    }

}

用ArrayBlockingQueue解决生产者消费者问题 ；默认使用的是非公平锁

take():取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到Blocking有新的对象被加入为止，若请求不到此线程被加入阻塞队列；

如果使用公平锁，当有内容可以消费时，会从队首取出消费者线程进行消费(即等待时间最长的线程)

add(anObject):把anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则招聘异常

package com.taobao.concurrency;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class TestBlockingQueues {

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(20);
        Thread pro = new Thread(new Producer(queue), "生产者");
        pro.start();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread t = new Thread(new Concumer(queue), "消费者 " + i);
            t.start();
        }

    }

}

class Producer implements Runnable {
    BlockingQueue<String> queue;

    public Producer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {

        int i = 0;
        while (true) {
            try {
                System.out.println("生产者生产食物， 食物编号为：" + i);
                queue.put(" 食物 " + i++);
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("生产者被中断");
            }
        }
    }
}

class Concumer implements Runnable {
    BlockingQueue<String> queue;

    public Concumer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费："
                        + queue.take());
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("消费者被中断");
            }
        }
    }
}


执行结果：
消费者 0 请求消费
消费者 2 请求消费
消费者 4 请求消费
消费者 6 请求消费
消费者 8 请求消费
消费者 5 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：0
消费者 0消费： 食物 0
消费者 1 请求消费
消费者 3 请求消费
消费者 7 请求消费
消费者 9 请求消费
消费者 0 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：1
消费者 2消费： 食物 1
消费者 2 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：2
消费者 4消费： 食物 2
消费者 4 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：3
消费者 6消费： 食物 3
消费者 6 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：4
消费者 8消费： 食物 4
消费者 8 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：5
消费者 5消费： 食物 5
消费者 5 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：6
消费者 1消费： 食物 6
消费者 1 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：7
消费者 3消费： 食物 7
消费者 3 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：8
消费者 7消费： 食物 8
消费者 7 请求消费
生产者生产食物， 食物编号为：9
消费者 9消费： 食物 9
消费者 9 请求消费

多个生产者，多个消费者

package com.taobao.concurrency;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class TestBlockingQueues {

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(20);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread pro = new Thread(new Producer(queue), "生产者" + i);
            pro.start();
        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread t = new Thread(new Concumer(queue), "消费者 " + i);
            t.start();
        }

    }

}

class Producer implements Runnable {
    BlockingQueue<String> queue;

    public Producer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {

        int i = 0;
        while (true) {
            try {
               
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "生产食物， 食物编号为：" + Thread.currentThread().getName()
                            + i);
                    queue.put(" 食物 " + Thread.currentThread().getName() + i++);
                    Thread.sleep(10000);
               
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("生产者被中断");
            }
        }
    }
}

class Concumer implements Runnable {
    BlockingQueue<String> queue;

    public Concumer(BlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 请求消费");
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费："
                        + queue.take());
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("消费者被中断");
            }
        }
    }
}

生产者0生产食物， 食物编号为：生产者00
生产者2生产食物， 食物编号为：生产者20
生产者1生产食物， 食物编号为：生产者10
生产者3生产食物， 食物编号为：生产者30
生产者4生产食物， 食物编号为：生产者40
生产者6生产食物， 食物编号为：生产者60
生产者8生产食物， 食物编号为：生产者80
生产者5生产食物， 食物编号为：生产者50
生产者7生产食物， 食物编号为：生产者70
生产者9生产食物， 食物编号为：生产者90
消费者 0 请求消费
消费者 0消费： 食物 生产者00
消费者 2 请求消费
消费者 2消费： 食物 生产者20
消费者 1 请求消费
消费者 1消费： 食物 生产者10
消费者 4 请求消费
消费者 4消费： 食物 生产者30
消费者 3 请求消费
消费者 6 请求消费
消费者 6消费： 食物 生产者40
消费者 3消费： 食物 生产者60
消费者 8 请求消费
消费者 8消费： 食物 生产者80
消费者 5 请求消费
消费者 5消费： 食物 生产者50
消费者 7 请求消费
消费者 7消费： 食物 生产者70
消费者 9 请求消费
消费者 9消费： 食物 生产者90
消费者 0 请求消费
消费者 1 请求消费
消费者 2 请求消费
消费者 4 请求消费
消费者 3 请求消费
消费者 5 请求消费
消费者 7 请求消费
消费者 9 请求消费
消费者 6 请求消费
消费者 8 请求消费
生产者0生产食物， 食物编号为：生产者01
消费者 0消费： 食物 生产者01
生产者2生产食物， 食物编号为：生产者21
生产者4生产食物， 食物编号为：生产者41
消费者 1消费： 食物 生产者21
生产者1生产食物， 食物编号为：生产者11
消费者 2消费： 食物 生产者41
消费者 4消费： 食物 生产者11
生产者3生产食物， 食物编号为：生产者31

条件队列解释：

Condition queuesare like the "toast is ready" bell on your toaster. If you are 
list
ening for it, you are notified promptly when your toast is ready and can drop what you are doing (or not, maybe you want to finish the newspaper first) and get your toast. If you are not listening for it (perhaps you went outside to get the newspaper), you could miss the notification, but on return to the kitchen you can observe the state of the toaster and either retrieve the toast if it is finished or start listening for the bell again if it is not.

基于条件的：多线程情况下，某个条件在某个时刻为假，不代表一直为假，可能到某个时刻就好了！

Lock 使用的默认 为非公平锁；condition对象继承了与之相关的锁的共平性特性，如果是公平的锁，线程会依照FIFO的顺序从Condition.wait中被释放;ArrayBlockingQueue中有一个比较不好的地方，生产者每次生产完之后，都要通知消费者，至于有没有性能损失TODO

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