JAVA多线程-内存模型JMM、volatile关键字和线程状态

2022-02-09 23:29:59 阅读：149 来源： 互联网

JAVA内存模型JMM

Java 内存模型定义了一种多线程访问java 内存的规范
1、java 内存模型将内存分为主内存和工作内存。类的状态是存储在主内存中，每次java 线程用到主内存中的变量时需要读取一次主内存中的变量值，并在自己的工作内存中存储一个拷贝，运行线程代码时，操作的是自己工作内存中的那一个值。在线程执行完毕后，会将最新值更新到主内存。
2、规范中定义了几个原子操作，用于操作主内存和工作内存中的变量。
3、内存规范中定义了volatile 变量的使用规范。
4、happens-before 先行发生原则，只要符合这些原则，则不需要额外进行同步处理，如果不符合规则，这段代码就是线程非完全的。

硬件模型

线程在读取主内存中的数据到CPU 缓存时，就会产生一个数据存放在不同的位置，这种多个备份就会有2 个问题：可见性和静态条件。

多线程之间是可以通过使用PipedInputStream/PipedOutputStream 互相传递数据，但是他们之间的沟通只能通过共享变量来实现。
主内存是多个线程共享的
当new 一个对象时，也就是被分配到主内存中，每个线程又有自己的工作内存，工作内存中存储了主存中操作对象的副本

栈和堆

每个线程都有自己的栈内存，叫做栈帧，用于存储本地变量、方法参数和栈调用，一个线程中存储的变量对其它线
程是不可见的，而堆是所有线程共享的一块公用内存内存区域。
JDK1.6+引入逃逸分析，对象都在堆中创建，为了提升线程的执行效率，会从堆中创建一个缓存到自己的栈，如果
多个线程使用该变量就可以引发问题。这时需要引入volatile 变量要求线程从主存中读取变量的值

线程操作某个对象时的执行顺序

1、从主内存中赋值变量到当前工作内存中read 和load
2、执行代码，改变共享变量值，use 和assign
3、用工作内存中的数据刷新主内存中的相关内容store 和write

volatile关键字

volatile 关键字实际上是Java 提供的一种轻量级的同步手段，因为volatile 只能保证多线程内存可见性，不能保证
操作的原子性。
任何被volatile 修改的变量，都不会进行副本的拷贝，任何操作都即使写在主内存中。因此使用volatile 修改的变
量的修改，所有线程都立刻可以看到。务必注意：volatile 保证可见性，但是不保证原子性

public class MyTest{
private volatile int a; //直接操作主内存，没有线程对工作内存和主内存同步
public void add(int count){
this.a=a+count;
}
}

使用volatile 的限制：
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它变量的不变式中

volatile 的特性
1、保证可见性
2、保证有序性，JMM 可以禁止读写volatile 变量前后语法的大部分重排序优化，可以保证变量的赋值操作顺序和程序中的执行顺序一致
3、部分原子性，针对volatile 变量的符合操作不具备原子性

特例：

public class Test2 {
	private static boolean flag = false;
	private static int i = 0;

	public static void main(String[] args) {
		new Thread(() -> {
			try {
				Thread.sleep(100);
				flag = true;
				System.out.println("flag 被修改了!");
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}).start();
		while (!flag) {
			i++;
		}
		System.out.println("程序执行结束!");
	}
}

问题：程序不能执行结果，主线程一直处于死循环状态
解决方法：给flag 添加关键字volatile
private static volatile boolean flag = false;

线程状态和线程状态切换

Java 线程的状态可以从java.lang.Thread 的内部枚举类java.lang.Thread$State 得知

public static enum State{
		//线程状态.
		NEW,//尚未启动的线程处于此状态
		RUNNABLE,//在JAVA虚拟机中执行的线程处于此状态
		BLOCKED,//被阻塞等待监视器锁定的线程处于此状态
		WAITING,//正在等待另一个线程执行的特定动作的线程处于此状态
		TIMED_WAITING,//正在等待另一个线程执行动作达到指定等待时间的线程处于此状态
		TERMINATED;//已退出的线程处于此状态
}

1、new 新建态（初始态）： new Thread(...)
2、就绪态（可运行态）: 线程初始化后，调用start 方法，只能针对新建态线程对象调用start 方法，否则出现异常illegalThreadStateException
3、执行态（运行态）：就绪态获取了CPU，执行线程run 方法。注意有多CPU 则会有多个线程并行执行。目前采用的是基于时间片轮转法的抢占式调度策略，在选择可以运行线程时会考虑线程的优先级。
4、运行态的线程中可以调用yield 方法使运行态的线程转入就绪态，重新竞争CPU 资源
5、阻塞态：由于某种原因使线程对象放弃CPU 使用权，临时停止运行，直到线程重新进入就绪态，才有机会执行。
阻塞可以分为3 种：1、等待阻塞：执行的线程执行了wait 方法（Object 类定义的），JVM 就会将线程放入到等待队列中，直到调用notify 或者notifyAll 进行唤醒，重新申请锁进入锁池中。2、同步阻塞：执行线程在获取对象的同步锁时，如果锁已经被其它线程占用，则JVM 将线程放入到锁池中。3、其它阻塞：执行执行sleep 或者join方法，或者发出IO 请求时。JVM 会将线程对象置为阻塞状态。当sleep 状态超时、join 方法等待的线程终止或者超时、或者IO 处理完毕，线程再次转入就绪态。
6、死亡态（终止态），程序运行完成或者因为异常退出run 方法，该线程结束生命周期。直接调用stop 方法也可以结束线程，但是这个方法容易导致数据不一致的问题，所以通常不建议使用。主线程main 方法结束时其它线程不受影响。注意：不要试图针对一个死亡态的线程对象调用start 方法重新启动

常见问题
如何强制启动一个线程：在Java 中没有办法强制启动一个线程，线程的运行是由线程调度器负责控制的，java 没有公布相关的API

垃圾回收：System.gc()或者Runtime.getRuntime().gc()可以通知执行垃圾回收，但是垃圾回收器是一个低优先级线程，所以具体运行实际不确定

不推荐的使用的方法：不要使用stop 方法停止一个线程，因为stop 方法过于极端，可能会出现同步问题，导致数据不一致。一般最佳软件实践可以考虑通过设置标志值，通过return、break、异常等手段来控制线程中的执行流程自然停止

建议通过其它方法实现线程自然终止，而不是立即终止：

suspend 方法用于暂停线程的执行，该方法容易导致死锁问题，因为该线程在暂停时并不释放所占有的资源，从而出现其它需要该资源的线程与当前线程出现环路等待问题，从而引发死锁。
resume 方法用于恢复suspend 挂起线程的运行，resume 和suspend 两个方法是配套使用，suspend 使得线程进入阻塞状态，并且不会自动恢复，必须通过对应的resume 才能使得线程重新进入可运行状态

public class Test2 {
	public static void main(String[] args) {
		MyThread t1 = new MyThread();
		t1.start();
		try {
			Thread.sleep(1);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
// t1.stop();
		t1.setFlag(false);
	}

	static class MyThread extends Thread {
		private boolean flag = true;// 这个标志值用于实现自然终止

		@Override
		public void run() {
			for (int i = 0; i < 100 && flag; i++)
				System.out.println(Thread.currentThread() + "---" + i);
		}

		public void setFlag(boolean flag) {
			this.flag = flag;
		}
	}
}

线程状态切换图

线程状态监控工具

如果项目在生产环境中运行，不可能频繁调用Thread#getState()方法去监测线程的状态变化。JDK 本身提供了一些监控线程状态的工具，还有一些开源的轻量级工具如阿里的Arthas

jvisualvm 远程监控
jvisualvm 是JDK 自带的堆、线程等待JVM 指标监控工具，适合使用于开发和测试环境。它位于JAVA_HOME/bin目录之下。其中线程Dump 的按钮类似于下面要提到的jstack 命令，用于导出所有线程的栈信息。

jstack
jstack 是JDK 自带的命令行工具，功能是用于获取指定PID 的Java 进程的线程栈信息。例如本地运行的一个IDEA实例的PID 是11376，那么只需要输入：jstack 11376

JMC
JMC 也就是Java Mission Control，它也是JDK 自带的工具，提供的功能要比jvisualvm 强大，包括MBean 的处理、线程栈已经状态查看、飞行记录器等

标签：JAVA,变量,flag,volatile,内存,线程,多线程,方法
来源： https://blog.csdn.net/m0_56161893/article/details/122850700

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