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【JavaEE】了解volatile和wait、notify（三）

news 2025/8/27 8:00:06

volatile

volatile关键字的重要功能：保证内存可见性

在多线程中常常会出现的线程安全问题：

1.内存可见性

计算机运行的程序代码中，经常要访问数据，这些依赖的数据往往会存储在内存中（也就是会定义一个变量，变量中存放的数据就是经常要访问的数据，而这个变量就在内存中）。CPU使用这个变量时，就会把这个内存中的数据先读出来，放在CPU寄存器中，再参与运算。

CPU读取内存这个操作时非常慢的（慢只是相对而言），对CPU而言，它的大部分操作都是很快的，一旦操作涉及读/写内存，就导致速度降下来。CPU内部操作 > 读/写寄存器 > 读取高速缓存Cache > 读/写内存 > 读硬盘。

为了解决读取内存速度慢这个问题，编译器会对代码做出优化，把一些本来要读内存的操作优化程读取寄存器，这样一来就可以减少读内存的次数，提高效率，这个就是内存的可见性。

我们用一个代码详细的解释：

public class Demo01 {private static int Q = 0;//全局变量public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(()->{//该线程不断的判断Q的值是否有变化while (Q == 0){}System.out.println("t1结束");});Thread t2 = new Thread(()->{System.out.println("请输入Q的值：");Scanner s = new Scanner(System.in);Q = s.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

解释以上代码：代码想表达的意思是线程一在不断的判断此时此刻的Q是否为0，而线程二在修改Q的值。正常情况下如果我们将Q的值修改成非零那么线程一就不再循环判断，并且结束线程一。如下图我们运行的结果并非是我们所预期的效果，当预期于结果不同时就是一个线程安全的问题。

也就是说一个线程读，一个线程写也会出现线程安全问题，这就是内存可见性引起的。那么我们深入分析一下每一步过程：

在此之前我们也得知道这个线程一是分两步的，第一步：load读取内存中的Q值到寄存器中；第二步：通过cmp指令比较寄存器的值是否为0，决定是否继续循环；

由于这个循环的速度非常快，短时间内就会进行大量循环，也就是进行大量的load和cmp。此时，编译器就发现进行这么多次的load，结果都是一样的，读取内存速度慢费时间（完成一次load等价于上万次cmp），于是，编译器就做了一个决定，只读一次内存中的数据，后面不再重复读，直接从寄存器中取Q的值（这样就感知不到Q在变化）。以至于线程二修改了Q的值，线程一也没有结束的原因，于是就出现了以上的bug。

解决内存可见性问题

在多线程环境下，编译器对于是否进行这样的优化判断不一定准确，就需要我们通过volatile关键字告诉编译器不要优化，不管是否优化都可以通过volatile预防这种优化（也叫保证内存可见性），并且volatile不能保证原子性。也就是开头所说的保证内存可见性。同样的，我们可以也在循环中添加sheep休眠为了减缓速度也可以达到volatile的效果，只是原因不同了减缓速度使开销变小了，编译器就没有必要进行优化（这种方案不可靠，在编写代码时，我们无法确定编译器是否对我们的程序进行了优化），最好的方案就是是由volatile关键字。

wait 和 notify

wait 和 notify 执行时所做的事：
1.释放当前的锁
2.让线程进入阻塞
3.当线程被唤醒时，重新获得锁

如果在一个线程中没有锁就直接调用 wait 会抛出异常（非法监视），所以在调用 wait/notify 前该线程需要加锁

wait 和 notify 是相互使用，wait 是阻塞状态，而 notify 则是唤醒其中一个被阻塞的线程。

public class Demo01 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object lock = new Object();Thread t1 = new Thread(()->{synchronized (lock){System.out.println("开始");try {lock.wait();//此时的锁被释放，目前为阻塞状态，等待notify唤醒} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println("结束");}});Thread t2 = new Thread(()->{try {Thread.sleep(3000);//先让t1线程获得锁} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}synchronized (lock){lock.notify();}});t1.start();t2.start();}
}

notigy 是一次唤醒一个，而 notifyAll 则是唤醒当前所有被阻塞状态的线程。但是就算线程被唤醒，需要重新获得锁，如果是同一把锁还是存在锁竞争。

并且wait 和 notify 可以避免线程饿死，正是它的功能 “释放当前锁”。（线程饿死：一个或多个线程因为无法获取到必要的资源（通常是 CPU 时间片，或者是锁资源），而长时间无法执行，处于饥饿等待状态。）

wait 也可以添加超时限制，也就是当阻塞时间超过该限制时，线程不再阻塞而是继续往后执行。