Java多线程

并发编程艺术读书笔记

并发机制底层原理

volatile原理

• 可见性
  当某个处理器更新完这个变量后，其他变量也会收到通知； 是通过lock前缀指令来实现；

lock前缀指令会：
1.将当前处理器缓存行数据刷新到内存；
2.写回内存操作会使得其他处理器缓存的该变量无效；

第二点是通过缓存一致性协议保证的。

缓存一致性协议：每个处理器嗅探总线上数据，如果发现自己缓存的数据过期后，则会把自己缓存的设为无效状态，会重新从内存里获取一份；

• 禁止指令重排序
  是通过插入内存屏障来实现的。

volatile不能保证原子性，能保证可见性；

synchronized 原理

• 代码块加synchronized
  会生成monitorenter 和monitorexit指令
• 方法加synchronized
  加一个标记 TODO

当一个monitor被一个线程持有后，会出于锁定状态，其他线程无法获取该锁，除非释放掉；

锁是放在对象头的mark word 里；mark word包含分代年龄、hashcode、偏向标记、锁标记；

优化后的synchronized 锁一共有四种状态：
无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，级别从低到高；能升级但不能降级；

这几种锁的优缺点及场景：
偏向锁：当同一线程再次获取锁时，设置一下标记，适用于只有一个线程的场景，加锁和解锁代价低；

轻量级锁：使用cas操作将线程的锁记录替换掉mark word ，成功则获取锁，失败则自旋cas 尝试，注意不是阻塞，自旋能提高线程响应速度，适用于同步代码块执行速度很快的场景；

重量级锁：线程竞争会阻塞，阻塞不会消耗cpu，加锁和解锁代价大；

cas

cas:compare and exchange 一个expect旧值和一个update值，如果expect旧值没变化，则更新为新值；cas是通过cmpxchg指令来实现的。

aba 问题：针对cas aba问题，可以加版本号，每操作一次值版本号增加；
cas 是自旋循环尝试，消耗cpu

Java内存模型

• JMM:
  内存模型 java memory model ：主内存，线程可以共享主内存的东西；私有内存，线程独享私有区域；

• 重排序
  为了提高性能对指令序列进行重新排序，编译器和处理器都可能进行重排序
  as-if-serial 原则：不管如何重排序，单线程的结果不会变

如何禁止重排序？通过插入特定的内存屏障；

• happens-before规则:
  程序顺序执行规则：一个线程的操作，先于后续其他操作，按照代码顺序执行；
  监视器锁规则：解锁先于随后对这个锁进行加锁；
  volatile规则：volatile的写先于后续对volatile的读；
  start规则：A线程启动B线程，在start前A的所有操作先于B的操作；
  join规则：线程里操作代码先于检测线程存活代码Thread.join,Thread.isAlive;
  Interupt规则:对线程中断interupt先于后续线程检测中断；

参考happens-before

• final内存语义
  final 修饰的变量只能赋值一次

• final 写重排序规则
  在构造函数中，对final域变量赋值，与随后把包含final域的构造的对象赋值给其他引用，这两个操作之间不能重排序，即编译器不能把final域变量重排序到构造函数的return 语句之后，是通过在return 语句和final 赋值之间插入StoreStore内存屏障来实现的。这保证了初始化final域对其他线程可见；

• final 读重排序规则
  初次读包含final域的对象引用与读final 域 ，这两个操作不能重排序，因为存在依赖关系，通过插入loadload屏障；

多线程

Lock锁和Condition条件
Lock是jdk层面实现，lock更free,可以搭配多个condition;

CountDownLatch、CyclicBarrier和 Semaphore
CountDownLatch：一个线程等待多个线程的执行到某个合适点后再执行；如接力跑，a,b,c三人接力跑，a开跑的条件为拿到b,c的接力棒，否则就等待；
CyclicBarrier:同步一组线程，如多人跑步，有的跑得快，有的跑得慢，跑完一圈后都停下来，直到所有的人都跑了一圈，才开始进行下一圈；
Semaphore:控制并发执行数量，如僧人很多，喝粥的碗少，只有等上一个僧人喝完粥把碗空出来之后下一个人才能喝；

interrupt、interrupted和isInterrupted的区别
interupt和isInterrpted是Thread的方法，用于设置中断状态以及查询中断状态，interrupted是
Thread的静态方法，用于查询当前线程的中断状态，带清除功能；
线程因wait,sleep，join等待时，调用interrupt，会收到InterruptedException异常，同时中断标记被清除；
join：线程的非静态方法，当在A线程中调用线程对象B的join方法，调用后，A线程处于等待状态，直到B线程运行结束，也可以在join的时候设置时间；

JVM内存结构 VS Java内存模型 VS Java对象模型
JVM内存结构，和Java虚拟机的运行时区域有关,指的是堆、栈、方法区、常量池等；
Java内存模型，和Java的并发编程有关，每个线程都有自己私有的区域；
Java对象模型，和Java对象在虚拟机中的表现形式有关，对象头；