Java复习笔记——java内存模型和线程

java内存模型和线程

 

1、概述

衡量一个服务的好坏，可以通过使用美妙事务处理数（TPS）来衡量。

2、java 内存模型

这里的java内存模型和前边的jvm的内存模型不同，这里是的内存模型是java通过一个标准的模型去消除不同平台之间的硬件的差异。所以这里的内存模式是和计算机的内存模型类似的。

java的内存模型主要是定义了各个变量的访问规则，这里的规则主要是虚拟机内存存储和读取变量的底层细节。这里的内存并不是java语法上的内存，而是实例字段，静态字段和构成数组对象的元素，并不包括局部变量和方法的参数，因为后者是线程私有的（因为不是共享数据）。

一个java线程会有自己的工作内存，这些工作内存类似于计算机中的高速缓存，通过save和load操作与jvm中的主内存进行交互。

 

3、内存之间的交互

工作内存是相互独立的，但是主内存是所有线程共享的，在线程进行运算的时候就这两者就需要进行数据的交互 。

由于实现虚拟机的时候就需要保证8中操作的原子性：lock、unlock、read、load、use、assign、store、write。

lock、unlock就是线程的锁定和解锁。剩下的就是主内存和工作内存之间的交互了，这两者的主要的数据交互如下：

数据会被加载到主内存中，主内存会先进行read操作，将数据交给工作内存，同时，工作内存会进行load操作，将从主内存里边获取到的数据变量值放到工作内存的变量副本中（Treadlocal？）。然后通过use操作，把工作内存中的变量执行引擎处理。处理结束之后，通过assign获取到处理之后的数据，并存储到工作内存中。然后通过store将数据从工作内存传递到主内存中。最后主内存通过write将工作内存传递的数据变量放到主内存的变量中。

由于这个规则的存在，就导致上边的一些操作是要成对存在的，例如read和write、load和store等。而且也存在一些先后的顺序，如必须先read才能load等。

 

4、volatile

volatile是jvm中最轻量级的同步机制，使用volatile在读的时候和普通变量没有区别，只会在写的时候慢一些。

volatile具备两个特性，一个是保证此变量在被修改的时候对所有线程的可见性，另一个就是禁止指令重排序优化。

这两点看似独立，但其实是一个点——内存屏障。

通过源码可以发现，被volatile修饰的时候，字节码文件会多出一行代码：

XXXXX:lock addl XXXX

这个是汇编语言，X86架构里边lock表示锁定，而前边的一窜是CPU的指令，通过查询得出这个指令是会将本CPU的cache写入内存， 这个写入动作，会让其他CPU的cache无效化。这一个操作就相当于前边所说的store和write操作。

这个操作会带来两个影响，一个就是每一个CPU都需要去重新获取工作内存中的数据，也就会读取到最新的数据，也就是在其中一个线程中的更改可以立刻让其他线程获取。 另外一个就是保证了这个更改之前的操作都会存到内存中，也就是前边的操作已经不可逆了。所以在volatile之前的操作一定会先于volatile之后的操作执行。这样就表现成了重排序失败的情景。

5、long、double的特殊规则

在默认情况下，由于long和double都是64位（bit）的，所以jvm会默认将这些数据的操作分开两次进行。但是在jvm实现的时候，各个商业虚拟机都已经对其进行了原子性的处理，所以不需要特殊考虑。

6、原子性、可见性、有序性

对于变量的操作来说，是有三个特征影响线程的处理。

原子性。由于java内存模型的8个操作，所以我们可以任务基本的数据类型的操作都是原子性的。即使是对象，也可以通过lock和unlock去实现操作的原子性。虽然这两个指令虚拟机并没有直接开放给用户使用，但是有更高层次的monitorenter（监视入口）和monitorexit（监视出口），这两个字节码指令反应到代码中就是Synchronized。所以被Synchronized修饰的操作都有原子性。

可见性。也就是在一个线程中修改了一个变量之后，其他线程都立刻可以感知。根据上班的叙述可知，volatile可以实现这点。除了volatile之外，Synchronized和final都可以实现可见性。Synchronized由于unlock操作在进行之前必须把数据写回到内存中，所以可以实现可见性。final因为在初始化之后，构造器并没有把this传递出去。这样就没有人可以再次对这个对象/变量进行赋值。

有序性。java程序中天然的有序性可以总结为：在本线程内观察，线程内部的所有操作都是有序的，但是其他线程的操作都是无序的。这是由于jvm在编译的时候会就对代码进行重新排序，而且各个工作内存中的数据可能由于读取主内存的时间不一致，导致数据不一致。

java中保证有序性的关键字除了前边叙述的volatile，还有Synchronized。volatile可以理解，因为本身机会出发一个lock操作，导致其他CPU中的cache无效化。而Synchronized则是通过锁来保证的，因为同一个时间之内获取锁的只有一个线程，所以当多个线程同时获取锁的时候，就会造成阻塞。这个阻塞，同时也是一种排队。

7、先行发生原则。

这个是java里边一个重要的原则。

如果A操作先行与B操作，那么A产生的影响就会被B感知到。

例如：

//A
i = 1；

//B
j = i;

// C
i = 2;

由先行发生原则可以知道B操作在A操作之后，所以B操作一定可以感知到A操作。但是如果这个时候有另外一个并行的线程也在处理这个数据，刚好就在A和B之间进行了C的操作，那么B就有可能读到2。这样B的操作就是不安全的。

 

java与线程

8、java中线程的实现

线程是CPU调度的基本单元。已经执行start()但是还没有结束的java的Thread类对象就可以认为是一个线程。程序实现线程有三种模式：内核模式、用户线程模式、混合模式

内核模式就是直接由计算机系统的内核进行操作， 程序一般不会去使用线程内核，会使用线程内核的一种高级接口——轻量级进程。轻量级进程和内核线程之间的关系是一一对应的。

这个模式的好处就是在于无需对线程之间的调度进行控制，完全交给CPU处理。而缺点也正是因为所有的调度都需要由CPU去处理，所以CPU需要在用户态和内核态中经常切换。每一次切换都是非常耗费资源的。

使用用户线程实现。一个线程只要不是内核线程就可以被认为是用户线程。使用用户线程，就不需要去进行状态的消耗，而且是支持大规模数量的线程的。缺点就是所有对线程的操作都需要由用户去决定。而会有一些很难处理的问题出现，例如：阻塞的时候怎么处理，怎么分配线程资源等。

混合模式也就是在用户线程上增加了轻量级进程的映射，也就是同时存在用户线程和轻量级进程的情况。由于使用的是用户线程 ，所以在操作现成的时候是比较方便的，而线程的调度是通过轻量级线程进行的，这样会比较轻松。它们之间的关系编程了N:M。

Sun的JDK是将线程和轻量级进程一一映射的。

9、线程之间的调度

线程之间的调度有两种，协同式调度，抢占式调度。

协同式调度是指线程的执行时间由线程本身控制，线程把自己的工作执行结束了之后就主动通知系统切换。缺点是一个线程如果陷入死循环，那么这个线程机会一直等待。

抢占式调度，就是由系统分配线程的执行时间，这样线程的执行时间就是可以控制的。这里边虽然可以对不同的线程分配优先级，但是这种优先级是不可靠的，因为不同的系统对优先级的分配不相同，所以对应不上。

 

10、线程的状态切换

新建、运行、无限期等待、有限期等待、阻塞以及结束。

新建表示一个线程刚刚被启动，但是没有运行的状态。

运行表示线程状态中的Running和Ready状态。这个时候可能被CPU分配执行时间，也可能么有。

无限期等待、有限期等待。都是没有被分配CPU执行时间的状态，却别是一个会自动唤醒，一个是等待别人唤醒。

阻塞。阻塞和等待的区别是阻塞会获得一个排它锁，这个锁在检测到另外的线程抛弃这个锁的时候就会发生。简单来说，阻塞就是这个线程正在等待别的线程抛弃锁。

结束。已经终止的线程状态，也就是这个线程结束了。