JVM学习笔记-第十二章-java内存模型与线程
JVM学习笔记-第十二章-java内存模型与线程
12.3 Java内存模型
Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。
此处的变量（Variables）与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。
12.3.1 主内存与工作内存
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图12-2所示。
这里所讲的主内存、工作内存与第2章所讲的Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的对内存的划分，这两者基本上是没有任何关系的。如果两者一定要勉强对应起来，那么从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说，主内存直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机（或者是硬件、操作系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问的是工作内存。
12.3.2 内存间交互操作
关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。Java虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外，这个问题在12.3.4节会专门讨论）。
- lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
- unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
- read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
- load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
- use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
- assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
- store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
- write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。
如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按顺序执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，但不要求是连续执行。也就是说read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现的顺序是reada、read b、load b、load a。
除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：
- 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。·不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
- 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
- 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行assign和load操作。
- 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
- 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作以初始化变量的值。
- 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
- 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。
这8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后会介绍的专门针对volatile的一些特殊规定，就已经能准确地描述出Java程序中哪些内存访问操作在并发下才是安全的。
12.3.3 对于volatile型变量的特殊规则
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：
第一项是保证此变量对所有线程的可见性；第二个语义是禁止指令重排序优化。
指令重排序是指处理器采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各个相应的电路单元进行处理。
12.3.4 针对long和double型变量的特殊规则
Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这八种操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double），在模型中特别定义了一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现自行选择是否要保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性，这就是所谓的“long和double的非原子性协定”（Non-Atomic Treatment of doubleand long Variables）。
12.3.5 原子性、可见性与有序性
介绍完Java内存模型的相关操作和规则后，我们再整体回顾一下这个模型的特征。Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这三个特性。
1.原子性（Atomicity）
由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个，我们大致可以认为，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的（例外就是long和double的非原子性协定，读者只要知道这件事情就可以了，无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况）。
如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
2.可见性（Visibility）
可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。
除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是synchronized和final。
同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）”这条规则获得的。而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么在其他线程中就能看见final字段的值。
3.有序性（Ordering）
Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
12.3.6 先行发生原则
Java语言中有一个“先行发生”（Happens-Before）的原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用的手段。依赖这个原则，我们可以通过几条简单规则一揽子解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题，而不需要陷入Java内存模型苦涩难懂的定义之中。
- 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
- 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是“同一个锁”，而“后面”是指时间上的先后。
- volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后。
- 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。
- 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。
- 对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。
- 传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
12.4 Java与线程
12.4.1 线程的实现
实现线程的3种方式
使用内核线程实现
内核线程（Kernel-Level Thread，KLT）：直接由操作系统内核支持，由内核进行线程调度，并映射到各个处理器上。
程序中一般不直接使用内核线程，而是使用内核线程的高级接口——轻量级进程(Light Weight Process, LWP)，即我们通常讲的线程。
轻量级进程与内核线程之间为1:1的关系称为【1对1的线程模型】。
局限性
1）基于内核线程实现，各种线程操作（如创建、销毁）都需要进行系统调用，在用户态和内核态之间切换，代价较高。
2）每个轻量级线程需要一个内核线程支持，需要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），因此系统支持的轻量级进程的数量有限
使用用户线程实现
用户线程：完全建立在用户空间的线程库上，系统内核感知不到线程的存在，线程的创建、销毁、同步等完全在用户态完成。
进程与用户线程之间1：N的关系称为【1对多的线程模型】。
优势
1）线程创建、销毁等操作不需要切换到内核态，快且低消耗
2）支持更多的线程数量
劣势
所有的线程操作（创建、销毁）等都需要用户程序自己处理（用户程序依赖线程库，因此主要是线程库的实现需要处理这些问题）
而诸如”阻塞如何处理“”多处理器中如何将线程映射到其他处理器上“等问题解决起来较困难，甚至不可能完成。
目前，使用用户线程的程序越来越少了。
使用用户线程加轻量级进程混合实现
用户线程完全建立在用户空间中，因此线程的创建、销毁等操作依赖廉价，并可支持较大规模的线程数量。
轻量级进程作为用户线程和内核线程之间的桥梁，从而可以使用内核使用的线程调度和处理器映射功能。
用户线程和轻量级进程之间的数据量比是不定的，即N:M的关系，称为【多对多的线程模型】。
许多UNIX系列操作系统，都提供N:M线程模型实现。
Java线程的实现
线程模型基于操作系统原生的线程模型实现，操作系统支持怎样的线程模型，很大程度上决定了Java虚拟机的线程模型。
这点在不同平台上没办法达成一致，虚拟机规范也未线程使用哪种线程模型来实现。
在Windows 、 Linux上都是一对一的线程模型，一条线程就映射到一条轻量级线程。
在Solaris平台，操作系统支持一对一及多对多线程模型，因此可通过指定虚拟机参数来指定要用哪种线程模型。
12.4.2Java线程调度
线程调度指系统为线程分配处理器使用权的过程。
线程调度方式有两种，分别是协同式调度、抢占式调度。
Java线程调度方式为抢占式调度。
关于线程优先级
虽然可通过将线程优先级调高使cpu分配更多的时间片，但是线程优先级不太靠谱。
Java线程映射到系统原生的线程上，线程调度最终那还是取决于操作系统。
12.4.3 Java线程状态转换
新建（New）：创建后但尚未启动的线程处于这种状态。
运行（Runnable）：包含了操作系统线程状态中的Running和Ready。线程有可能正在执行，也可能正在等待cpu为它分配时间片。
无限期等待（Waiting）：不会被cpu分配时间片，等待被其他线程唤醒。以下方法会让线程进行无限期等待状态
1）没有设置Timeout参数的Object.wait()方法
2）没有设置Timeout参数的Thread.join()方法
3）LockSupport.park()方法
限期等待（Timed Waiting）：不会被cpu分配时间片，在一段时间后由系统自动唤醒。
1）Thread.sleep()
2）设置了Timeout参数的Object.wait()方法
3）设置了Timeout参数额Thread.join()方法
4）LockSupport.parkNanos()
-
LockSupport.pardUntil()
阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，在线程等待进行临界区时，线程进入阻塞状态
阻塞状态与等待状态的区别
阻塞状态：等待获取一个排它锁
等待状态：等待一段时间 或者是 等待被唤醒
结束（Terminated）：已终止的线程的状态。
