线程一些问题
date: 2020-09-28 11:08:00
updated: 2020-09-21 18:15:00
线程一些问题
1. 概述
单线程和多线程 表象化的一种理解：线程就是程序执行的路径，单线程就是只有一条路径，多线程就是多条路径
进程：一个程序装载到内存里，分配好资源如网络等等。是分配资源的最基本单位
线程：程序开始运行，将一条条指令放到cpu里执行。是调度执行的最基本单位
CPU：ALU（算术逻辑单元，负责计算） + Registers（寄存器，存储数据） + PC（计数器，记录执行到哪一条指令，记录指令地址）
一个核在同一时刻只能运行一个线程。
但是目前也存在线程撕裂者，即超线程：由于ALU速度大于Registers，所以如果一个ALU搭配一套Registers+PC即是一个线程，如果一个ALU搭配两套Registers+PC就是超线程，省略了线程上下文切换的时间。
线程切换（上下文切换）：运行T1线程时，会把T1的数据放入寄存器中计算，如果时间到了需要切换时，会把T1的数据地址等等放入到缓存中，把T2的数据放入到寄存器中
线程数并不是越大越好，因为CPU要保证所有的线程都有执行的机会，会浪费很多时间在线程切换上。
哪怕是单核CPU设置多线程也有意义。多线程是为了提高CPU利用效率，一个程序并不是全部时刻都在占用CPU。
2. 线程的可见性
一个线程对共享变量值的修改，能够及时的被其他线程看到。
JVM中关于各种变量（线程共享变量）的访问规则
- 所有的变量都存储在主内存中。
- 每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存中该变量的一份拷贝）。
- 线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写。
- 不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量的传递需要通过主内存来完成。
原理：
线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到
- 把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中
- 将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中
实现方式：
- synchronized
- volatile
2.1 synchronized 实现可见性以及原子性
JMM关于synchronized的两条规定：
- 线程解锁前（退出synchronized代码块之前），必须把共享变量的最新值刷新到主内存中，也就是说线程退出synchronized代码块值后，主内存中保存的共享变量的值已经是最新的了
- 线程加锁时（进入synchronized代码块之后），将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁与解锁需要是同一把锁）
两者结合：线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见
根据以上推出线程执行互斥代码的过程：
1.获得互斥锁（进入synchronized代码块）
2.清空工作内存
3.从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存
4.执行代码
5.将更改后的共享变量的值刷新到主内存
6.释放互斥锁（退出synchronized代码块）
2.2 volatile 实现可见性
volatile 特性：
- 能够保证volatile变量的可见性
- 不能保证volatile变量复合操作的原子性
如何实现内存的可见性？
- 对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令 => 写后存(store)
- 对volatile变量执行读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令 => 读前读(load)
通俗的讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最新的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。
为什么不能保证volatile变量复合操作的原子性？
通俗的讲，volatile不能加锁，对number++;的操作会被多个线程交叉执行，导致出现不同的结果
2.4 synchronized 和 volatile 区别
- volatile 不需要加锁，更轻量级
- volatile 只保证可见性，不保证原子性
3. 线程的 as-if-serial
这个主要针对的是单线程。多线程肯定不能保证顺序。
单线程 as-if-serial 语义 -- 单线程两条语句，并不一定按顺序执行。但是重排序必须保证最后执行结果的一致性。
原因：有的指令执行不占用cpu，但是耗时长；有的指令占用cpu，耗时短。
3.1 指令重排序与内存屏障
代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，原因是编译器或处理器为了提高程序性能而做的优化。
编译器重排
// 优化前
int x = 1;
int y = 2;
int a1 = x * 1;
int b1 = y * 1;
int a2 = x * 2;
int b2 = y * 2;
// 优化后
int x = 1;
int y = 2;
int a1 = x * 1;
int a2 = x * 2;
int b1 = y * 1;
int b2 = y * 2;
CPU只读一次的x和y值。不需反复读取寄存器来交替x和y值。
处理器重排
// 初始化
int a = 0;
int b = 0;
int x = 0;
int y = 0;
// 处理器A执行
a = 1;
x = b;
// 处理器B执行
b = 2;
y = a;
变量全部存储在主内存。a=1 这个操作在A处理器本地缓存中处理，此时a变量最新的值没有刷新到主内存中，此时B处理器从主内存中读a的值就会返回0。同理y也可能被赋值为0。
针对这种情况，处理器提供四种内存屏障 -- LoadLoadBarrier、StoreStoreBarrier、LoadStoreBarrier、StoreLoadBarrier。Load是读，Store是写。屏障前的指令必须全部执行完，才能执行屏障后的指令。
4. 对象的创建过程
class T{
int m = 8;
}
T t = new T();
对应的汇编码
0 new #2 <T>
3 dup
4 invokespecial #3 <T.<init>>
7 astore_1
8 return
0 new #2 <T> 负责在内存中申请一块内存，此时成员变量都是默认值，即m=0
4 invokespecial #3 <T.<inti>> 执行初始化，此时m=8
7 astore_1 建立t和T的关联关系
4. DCL 单例模式需要加 volatile 吗
public class LHan {
private static volatile LHan instance; // 必须要加 volatile
private LHan(){}
public static LHan getInstance(){
if(instance == null){ // 这一层判断是为了提高效率。锁竞争很耗费时间和效率，避免多个线程每一次getInstance都要进入到同步代码块
synchronized(this){
if(instance == null){
instance = new LHan();
}
}
}
return instance;
}
}
4.1 对象的创建过程
class T{
int m = 8;
}
T t = new T();
对应的汇编码
0 new #2 <T>
3 dup
4 invokespecial #3 <T.<init>>
7 astore_1
8 return
0 new #2 <T> 负责在内存中申请一块内存，此时成员变量都是默认值，即m=0
4 invokespecial #3 <T.<inti>> 执行初始化，此时m=8
7 astore_1 建立t和T的关联关系
4.2 必须要加 volatile 的原因
A -> getInstance -> new 一个对象，在创建过程中，如果指令发生重排，即先执行了 0 new #2 <T>，然后 7 astore_1 和 4 invokespecial #3 <T.<inti>> 发生重排，此时 instance 不为null，但是变量均为默认值
B -> getInstance -> 不为null，直接返回，获取到的变量值为默认值，会发生错误
