java - 没有打印语句，循环看不到其他线程更改的值

Question

在我的代码中，我有一个循环，等待某个状态从其他线程更改。另一个线程可以工作，但是我的循环从未看到更改过的值。它永远等待。但是，当我将System.out.println语句放入循环中时，它突然起作用了！为什么？



以下是我的代码示例：

class MyHouse {
    boolean pizzaArrived = false;

    void eatPizza() {
        while (pizzaArrived == false) {
            //System.out.println("waiting");
        }

        System.out.println("That was delicious!");
    }

    void deliverPizza() {
        pizzaArrived = true;
    }
}

在while循环运行时，我从另一个线程调用 deliverPizza()来设置 pizzaArrived变量。但是，循环仅在取消注释 System.out.println("waiting");语句时有效。这是怎么回事？

Answer 1

允许JVM假定其他线程在循环期间不更改pizzaArrived变量。换句话说，它可以在循环外提升pizzaArrived == false测试，从而优化此方法：

while (pizzaArrived == false) {}

到这个：

if (pizzaArrived == false) while (true) {}

这是一个无限循环。

为确保一个线程所做的更改对其他线程可见，您必须始终在线程之间添加一些同步。最简单的方法是使共享变量 volatile：

volatile boolean pizzaArrived = false;

设置变量 volatile可以确保不同的线程将看到彼此更改对其的影响。这样可以防止JVM缓存 pizzaArrived的值或在循环外进行测试。相反，它必须每次都读取实变量的值。

（更正式地说， volatile在访问变量之间创建一个事前发生的关系。这意味着，在接受比萨饼的线程中，也可以看到发送比萨饼之前的 all other work a thread did，即使这些其他更改不是对 volatile变量。）

Synchronized methods主要用于实现互斥（防止同时发生两件事），但它们也具有与 volatile相同的副作用。在读写变量时使用它们是使更改对其他线程可见的另一种方法：

class MyHouse {
    boolean pizzaArrived = false;

    void eatPizza() {
        while (getPizzaArrived() == false) {}
        System.out.println("That was delicious!");
    }

    synchronized boolean getPizzaArrived() {
        return pizzaArrived;
    }

    synchronized void deliverPizza() {
        pizzaArrived = true;
    }
}

打印声明的效果

System.out是 PrintStream对象。 PrintStream的方法是这样同步的：

public void println(String x) {
    synchronized (this) {
        print(x);
        newLine();
    }
}

同步可防止在循环期间缓存 pizzaArrived。严格来说，两个线程必须在同一个对象上同步，以确保对变量的更改是可见的。 （例如，在设置 println之后调用 pizzaArrived并在读取 pizzaArrived之前再次调用它是正确的。）如果只有一个线程在特定对象上同步，则允许JVM忽略它。实际上，JVM不够聪明，无法证明设置 println后其他线程将不会调用 pizzaArrived，因此它假定它们可能会调用。因此，如果调用 System.out.println，它将无法在循环期间缓存变量。这就是为什么这样的循环在具有打印语句时可以起作用的原因，尽管这不是正确的解决方法。

使用 System.out并非导致这种效果的唯一方法，而是人们尝试调试其循环为何不起作用时最常发现的一种方法！



更大的问题

while (pizzaArrived == false) {}是一个忙等待循环。那很糟！等待时，它会占用CPU，这会减慢其他应用程序的速度，并增加系统的电源使用，温度和风扇速度。理想情况下，我们希望循环线程在等待时休眠，因此它不会占用CPU。

以下是一些方法：

使用等待/通知

一个较低的解决方案是 use the wait/notify methods of Object：

class MyHouse {
    boolean pizzaArrived = false;

    void eatPizza() {
        synchronized (this) {
            while (!pizzaArrived) {
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {}
            }
        }

        System.out.println("That was delicious!");
    }

    void deliverPizza() {
        synchronized (this) {
            pizzaArrived = true;
            this.notifyAll();
        }
    }
}

在此版本的代码中，循环线程调用 wait()，这使线程进入睡眠状态。休眠时将不使用任何CPU周期。在第二个线程设置变量后，它调用 notifyAll()唤醒正在该对象上等待的所有线程。这就像让比萨饼人按门铃一样，因此您可以在等待时坐下来休息，而不必笨拙地站在门口。

当在对象上调用wait / notify时，您必须持有该对象的同步锁，以上代码就是这样做的。您可以使用任何您喜欢的对象，只要两个线程使用同一个对象即可：在这里，我使用了 this（ MyHouse的实例）。通常，两个线程将无法同时输入同一对象的同步块（这是同步目的的一部分），但是它在这里起作用，因为一个线程在 wait()方法内部时会暂时释放同步锁。

阻塞队列

BlockingQueue用于实现生产者－消费者队列。 “消费者”从队列的最前面取物品，“生产者”在队列的最后面取物品。一个例子：

class MyHouse {
    final BlockingQueue<Object> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

    void eatFood() throws InterruptedException {
        // take next item from the queue (sleeps while waiting)
        Object food = queue.take();
        // and do something with it
        System.out.println("Eating: " + food);
    }

    void deliverPizza() throws InterruptedException {
        // in producer threads, we push items on to the queue.
        // if there is space in the queue we can return immediately;
        // the consumer thread(s) will get to it later
        queue.put("A delicious pizza");
    }
}

注意： put的 take和 BlockingQueue方法可以抛出 InterruptedException，这是必须处理的检查异常。在上面的代码中，为简单起见，重新抛出了异常。您可能更喜欢在方法中捕获异常，然后重试put或take调用以确保成功。除了这一点之外， BlockingQueue非常易于使用。

此处不需要其他同步，因为 BlockingQueue确保将线程放入项目之前，线程执行的所有操作对于取出这些项目的线程都是可见的。

执行者

Executor类似于执行任务的现成的 BlockingQueue。例：

// A "SingleThreadExecutor" has one work thread and an unlimited queue
ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();

Runnable eatPizza = () -> { System.out.println("Eating a delicious pizza"); };
Runnable cleanUp = () -> { System.out.println("Cleaning up the house"); };

// we submit tasks which will be executed on the work thread
executor.execute(eatPizza);
executor.execute(cleanUp);
// we continue immediately without needing to wait for the tasks to finish

有关详细信息，请参见 Executor， ExecutorService和 Executors的文档。

事件处理

等待用户单击UI中的内容时循环播放是错误的。而是使用UI工具包的事件处理功能。 In Swing，例如：

JLabel label = new JLabel();
JButton button = new JButton("Click me");
button.addActionListener((ActionEvent e) -> {
    // This event listener is run when the button is clicked.
    // We don't need to loop while waiting.
    label.setText("Button was clicked");
});

因为事件处理程序在事件分发线程上运行，所以在事件处理程序中进行长时间的工作会阻止与UI的其他交互，直到工作完成。慢速操作可以在新线程上启动，也可以使用上述一种技术（wait / notify， BlockingQueue或 Executor）分派到等待的线程。您还可以使用专门为此设计的 SwingWorker，并自动提供一个后台工作线程：

JLabel label = new JLabel();
JButton button = new JButton("Calculate answer");

// Add a click listener for the button
button.addActionListener((ActionEvent e) -> {

    // Defines MyWorker as a SwingWorker whose result type is String:
    class MyWorker extends SwingWorker<String,Void> {
        @Override
        public String doInBackground() throws Exception {
            // This method is called on a background thread.
            // You can do long work here without blocking the UI.
            // This is just an example:
            Thread.sleep(5000);
            return "Answer is 42";
        }

        @Override
        protected void done() {
            // This method is called on the Swing thread once the work is done
            String result;
            try {
                result = get();
            } catch (Exception e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            label.setText(result); // will display "Answer is 42"
        }
    }

    // Start the worker
    new MyWorker().execute();
});

计时器

要执行定期操作，可以使用 java.util.Timer。它比编写自己的定时循环更容易使用，并且更容易启动和停止。该演示每秒打印一次当前时间：

Timer timer = new Timer();
TimerTask task = new TimerTask() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(System.currentTimeMillis());
    }
};
timer.scheduleAtFixedRate(task, 0, 1000);

每个 java.util.Timer都有其自己的后台线程，该线程用于执行其计划的 TimerTask。自然地，线程在任务之间休眠，因此它不会占用CPU。

在Swing代码中，还有一个 javax.swing.Timer，与之类似，但是它在Swing线程上执行侦听器，因此您可以安全地与Swing组件进行交互，而无需手动切换线程：

JFrame frame = new JFrame();
frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
Timer timer = new Timer(1000, (ActionEvent e) -> {
    frame.setTitle(String.valueOf(System.currentTimeMillis()));
});
timer.setRepeats(true);
timer.start();
frame.setVisible(true);

其他方法

如果您正在编写多线程代码，则值得探索这些软件包中的类以查看可用的内容：


java.util.concurrent
java.util.concurrent.atomic
java.util.concurrent.locks


另请参阅Java教程的 Concurrency section。多线程很复杂，但是有很多可用的帮助！