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。 它会永远等待。 但是，当我在循环中放入System.out.println语句时，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，只有当我取消注释 System.out.println("waiting");语句时，循环才起作用。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，它可以将pizzaArrived == false测试提升到循环之外，从而优化此功能:

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，您必须始终在这些线程之间添加一些 同步。最简单的方法是使共享变量 volatile:

volatile boolean pizzaArrived = false;

制作一个 volatile变量可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-事前关系。这意味着，在接收比萨饼的线程中，传递比萨饼之前的 all other work a thread did也可见，即使这些其他更改不是 volatile变量也是如此。)

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 volatile所具有的所有相同副作用。在读取和写入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 pizzaArrived在循环期间被缓存。严格来说， 和两个线程必须在同一对象上同步，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，无法证明其他线程在设置 println后不会调用 pizzaArrived，因此它假定它们可能会调用。因此，如果您调用 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才起作用的原因，尽管这不是正确的解决方法。

使用 System.out并不是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!等待期间，它占用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 hibernate ，因此它不会占用CPU。

这里有一些方法可以做到这一点:

使用等待/通知

一个底层解决方案是 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() ，使线程进入休眠状态。 hibernate 时将不使用任何CPU周期。在第二个线程设置变量之后，它将调用 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(synchronized block)(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方法会抛出 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。您可能希望在方法中捕获异常，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。

这里不需要其他同步，因为 BlockingQueue确保将线程放入队列之前执行的所有操作对于将这些线程取出的线程都是可见的。

执行者
Executor类似于执行任务的现成的 BlockingQueue。例子:

// 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)调度到等待的线程。您还可以使用为此专门设计的 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 hibernate ，因此它不会占用CPU。

在Swing代码中，还有一个 javax.swing.Timer ，它类似，但是它在Swing线程上执行监听器，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

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