Java：为什么主线程没有进展？

Question

我在使用多线程 Java 程序时遇到了一些问题，并将其提炼成一个非常简单的示例——我的困惑仍然不少！

下面显示的示例程序。那么这是做什么（或打算做什么）？嗯，main() 函数从一个简单的线程开始，它基于一个静态的内部类 Runnable。此 Runnable 包含两个嵌套循环，对局部变量“z”进行简单计算，总共 10^12 次迭代 (10^6 * 10^6)，之后它将打印出结果并退出。在生成这个工作线程之后，主线程进入它自己的循环，在其中将字符串“Z”打印到控制台，之后它休眠（使用 Thread.sleep()）1 秒钟，然后一遍又一遍地重复这个过程。

所以运行这个程序，我希望它在计算线程执行其工作时每 1 秒打印一次“Z”。

然而，实际上发生的是计算线程启动，主线程显示第一个“Z”，然后什么也没发生。它似乎无限期地或至少比请求的 1000 毫秒长得多，挂在 Thread.sleep 调用中。

请注意，这是在具有多线程的快速四核机器上，因此同时运行线程应该没有问题。其他核心在 Windows 任务管理器中显示为空闲。此外，即使在单核系统上，我也希望操作系统定期抢占计算线程，以允许主线程打印字符串。 此外，线程之间没有共享变量或锁，因此它们不应相互阻塞。

更奇怪的是，Runnable 中有两个嵌套循环似乎对行为至关重要。只需一个循环，使用相同的迭代次数，一切都会按预期进行。

我已经在 Windows 10 64 位和 Java 1.8.0_73 上对此进行了测试。

有人可以解释这种行为吗？

public class Calculate {
    static class Calc implements Runnable
    {
        @Override
        public void run() {
            int z = 1;
            for(int i = 0; i < 1000000; i++) {      
                for(int j = 0; j < 1000000; j++) {
                    z = 3*z + 1;
                }               
            }
            System.out.println("Result: " + z);
        }
    }

    public static void main(String[] args)  throws Exception
    {
        Thread t = new Thread(new Calc());
        t.start();
        while(true) {
            System.out.println("Z");
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

更新 1：有人建议这可能与 Busy loop in other thread delays EDT processing 重复。在我的案例中，许多症状是相同的，但很难判断它们是否真的是相同的原因，因为另一个问题似乎没有被完全诊断出来。但这很有可能。

更新 2：我已向 Oracle 提交了错误报告。如果它被接受并且我找到它，我会发布链接。

更新 3：在 Java 8 和 9 中被接受为错误：https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8152267

Answer 1

好像你的程序溢出了我的机器，我也只得到一次 Z（Os x、i7、16G）。

编辑：每次循环 i 时，您可以确保让主线程有机会打印“z”：

@Override
public void run() {
    int z = 1;
    for(int i = 0; i < 1000000; i++) {    
        Thread.yield();
        for(int j = 0; j < 1000000; j++) {
            z = 3*z + 1;
        }               
    }
    System.out.println("Result: " + z);
}

Answer 2

正如我在描述中的“更新 3”中所说，这原来是 Java 8 和 9 中的一个错误。所以这是这个问题的正确答案：程序没有问题，行为是由某些 Java 版本中的错误引起的，导致它无法正常运行。虽然在程序中插入暂停、让步等的建议可能与寻求实际解决方法的人相关，但“缺少这些解决方法”并不是问题的根本原因，也不代表原始程序中的错误。

Answer 3

简答

这是CPU分配的问题。要解决此问题，请在 for (int j=0 ...) 循环之后添加行 Thread.currentThread().yield();。

长答案

我用下面修改的程序来查找问题

public class Calculate {

    public static final int[] LOOP_SIZES = {
        1000, 5000, 10000, 50000, 65000, 66000, 100000, 500000, 1000000 };

    static class Calc implements Runnable
    {
        private int loopSize;
        public Calc(int loopsize) {
            loopSize = loopsize;
        }
        @Override
        public void run() {
            int z = 1;
            final long startMillis = System.currentTimeMillis();
            for(int i = 0; i < loopSize; i++) {
                for(int j = 0; j < loopSize; j++) {
                    z = 3*z + 1;
                }
                Thread.currentThread().yield();  // comment this line to reproduce problem                                         
            }
            final long endMillis = System.currentTimeMillis();
            final double duration = ((double)( endMillis - startMillis )) / 1000.0;
            System.out.println("Result for " + loopSize +
                               ": " + z +
                               " @ " + duration + " sec");
        }
    }

    public static void main(String[] args)  throws Exception
    {
        Thread tt[] = new Thread[LOOP_SIZES.length];
        for (int i = 0; i < LOOP_SIZES.length; i++) {
            final int ls = LOOP_SIZES[i];
            tt[i] = new Thread(new Calc(ls));
            tt[i].start();
        }
        int nbNonTerminated = 1;
        while(nbNonTerminated > 0) {
            nbNonTerminated = 0;
            for (int j=0; j < tt.length; j++)  {
                printThreadState( tt[j], "Thread " + j );
                if (!tt[j].getState().equals(java.lang.Thread.State.TERMINATED))
                    nbNonTerminated ++;
            }
            printThreadState( Thread.currentThread(), "Main thread");
            System.out.println("Z @ " + System.currentTimeMillis());
            Thread.sleep(1000);
        }
    }

    public static void printThreadState( Thread t, String title ){
        System.out.println( title + ": " + t.getState() );
    }
}

如果你运行这个程序，主线程会按预期工作（它每秒打印一条消息）。如果您用yield 注释该行，重新编译并运行它，主循环会打印一些消息，然后阻塞。似乎 JVM 几乎将所有 CPU 分配给其他线程，导致主线程无响应。

线程数似乎没有改变问题。当“循环大小”变得大于大约 65000 时，问题开始出现。另外，请注意，当线程完成时我没有加入线程。

注意：在 Mac OSX、2.7.5、2.5 GHz Core i5 上测试。
我还在 Raspberry Pi 2、Raspbian linux 4.1.3（功能要弱得多的机器）上对其进行了测试：没有显示问题。

Answer 4

在 run 方法中你没有循环，只是一个简单的 z 计算。 因此，当您调用 t.start(); run 方法被调用一次，计算 z，然后你就让线程永远休眠。