JVM原理学习：线程与内存模型篇

标题定义时，我寻思着”Java高并发编程和线程安全“作为标题会不会更好一点，日常开发中线程安全主要是同步锁实现，属于Java语言级别基础用法，但Java并不是JVM的独生子，JVM支持Scala等其他语言，jVM只认识字节码。实质上，JVM提供原语支持保证资源访问原子性。本文主要记录JVM为并发编程做了什么努力，大部分思想来源于《深入理解Java虚拟机第二版》。

一、什么是线程安全？

在《深入理解Java虚拟机第二版》386页中有段较恰当的描述”当多个线程访问同一个对象时，如果不用考虑这些线程运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，单次调用可以获得正确的结果，那这个对象就是线程安全的“。这个定义很全面，关注了高并发下线程安全实质上是资源访问安全，注意到”线程“、”同一个对象“、”运行时环境“、”同步操作“等关键词，用于理解JVM如何解决这些问题。

二、如何保证资源访问安全？

1、局部变量

运行时环境，JVM将字节码文件描述的方法参数和局部变量保存在虚拟机栈中，虚拟机栈是线程私有的。

2、线程本地变量

运行时环境，Thread持有的ThreadLocalMap对象保存了键值对，其中key为该线程位置标志，value是需要保存的值的拷贝，是线程私有的。

3、共享资源锁

当多线程访问同一个资源时，由JVM内存模型规定进行资源抢占，谁占有资源宏观上是随机的。Java代码中ReentrenLock、Synchronized提供资源锁定功能。JVM底层提供了monitorenter和moniterexit等字节码指令以支持同步锁功能，同时物理机器提供了CompareAndSwap等机器指令集为乐观锁提供支持，说到这还难以理解，以下通过JVM、物理机器等逐步解释同步锁和乐观锁。

三、JVM如何保证资源可见以及锁？

JVM通过monitorenter锁定同步代码块，完成后通过monitorexit释放锁。同一个线程多次获取同一个锁时，表现为锁的计数，也叫可重入，synchronized便是可重入锁。

1、锁类型和标识

JDK1.6实现了很多锁优化类型。存放于Java堆中的对象中，对象头存放了运行时数据（Mark Word）和方法区引用指针，其中运行时数据首部的对象哈希码存放了对象锁，分为无锁、轻量级锁、重量级锁、偏向锁等，这些锁分类的目的在于提供锁的性能，因为锁定资源会引起线程阻塞，导致物理机器内核调用进行线程切换，造成巨大开销。这些锁作用如下：

轻量级锁：只有一个线程，避免切换

重量级锁：多线程下，需要切换线程

偏向锁：获取锁成功的线程，提高下次获取成功的概率

无锁：不加锁，或通过CAS乐观点

2、内存模型JMM

JVM在宏观上将数据分别存储于Java堆、方法区、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器等；微观上，执行时的访问变量建议存放于高速缓存，未访问变量存放于主内存。这是为了解决CPU和主内存速度差异实现的，但高速缓存中的数据同一时刻却不一定等于主内存，数据一致性以及同步锁应该如何作用？为了解决数据一致性问题，JVM约定了一套内存模型JMM。

JMM是实现主内存、高速缓存间数据安全迁移功能的。主要分为8个原子指令，lock/unlock、read/write、load/store、use/assign等。数据迁移指令的关系如下：

　　　　　　　　　　主内存：read/write <----> 高速缓存：load/store <----> 执行时高速缓存：use/assign

访问变量时，一般都是从线程私有的高速缓存中读取（load），此时不同线程访问资源皆为高速缓存的副本，主内存才是实际值，此时数据很可能是过时。为了解决数据过时问题，Java提供了volatile修饰符，让线程直接从主内存读取数据（read/load组合），从而保证数据可见性。

lock/unlock是解决主内存资源唯一访问的保障，其中lock锁定主内存时会将所有高速缓存相关值清空，从而保证数据直接从主内存读取最新值。同时也提供了同步锁支持。

四、物理机器如何保证资源安全

物理机器指令集中，还提供了各种原子指令如CAS（CompareAndSwap），保证同时只有一个资源可以写入，从而实现只有一个线程可以获取锁资源。因此，线程安全是需要机器支持的，然而大多数机器都支持。在Java中，sun.misc.Unsafe包封装了访问底层物理机指令集，因此实现了一些资源访问原子性（如AtomicInteger）。