Java---多线程（工作内存）和内存模型（主内存）分析

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首先解读Java内存模型（这里区别于JVM的内存模型，堆、栈、工作区）

　　Java 内存模型来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存差异，达到跨平台的内存访问效果。JLS(Java语言规范)定义了一个统一的内存管理模型JMM(Java Memory Model)

　　Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，此处的主内存仅仅是虚拟机内存的一部分，而虚拟机内存也仅仅是计算机物理内存的一部分（为虚拟机进程分配的那一部分）。

　　Java内存模型分为主内存，和工作内存。主内存是所有的线程所共享的，工作内存是每个线程自己有一个，不是共享的。

　　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到的变量的主内存副本拷贝。线程对变量的所有操作（读取、赋值），都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同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、工作内存三者之间的交互关系如下图：

 

Java内存间交互操作

    JLS定义了线程对主存的操作指令：lock，unlock，read，load，use，assign，store，write。这些行为是不可分解的原子操作，在使用上相互依赖，read-load从主内存复制变量到当前工作内存，use-assign执行代码改变共享变量值，store-write用工作内存数据刷新主存相关内容。

• read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量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，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，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到的值赋值给工作内存的变量，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，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

 

为什么需要要多线程 （充分利用CPU）

　　举一个栗子，假设现在要10000条数据，总共需要100分钟。如果是单线程的串行操作，需要100分钟。那么如果同时开10个线程，每一个线程运行100条数据，那么只需要10分钟就可以完成所有的操作。（总之是充分利用物理资源CPU）

 

多线程的三个特性

1、原子性（Atomicity）
　　原子性是指一个原子操作在cpu中不可以暂停然后再调度，既不被中断操作，要不执行完成，要不就不执行。原子操作保证了原子性问题。

　　x++（包含三个原子操作）a.将变量x 值取出放在寄存器中 b.将将寄存器中的值+1 c.将寄存器中的值赋值给x

由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、use、assign、store和write六个，大致可以认为基础数据类型的访问和读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，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与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来隐匿地使用这两个操作，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)

　　java 内存模型的主内存和工作内存，解决了可见性问题。
　　volatile赋予了变量可见——禁止编译器对成员变量进行优化，它修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从内存中重读该成员变量的值；而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存，这样在任何时刻两个不同线程总是看到某一成员变量的同一个值，这就是保证了可见性。

可见性就是指当一个线程修改了线程共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。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，以及每使用前立即从内存刷新。因为我们可以说volatile保证了线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

3、有序性(Ordering)
　　Java内存模型中的程序天然有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存主主内存同步延迟”现象。

 

线程状态

1. 新建状态（New）：新创建了一个线程对象。
2. 就绪状态（Runnable）：线程对象创建后，其他线程调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，变得可运行，等待获取CPU的使用权。
3. 运行状态（Running）：就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。
4. 阻塞状态（Blocked）：阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：
（一）、等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，JVM会把该线程放入等待池中。
（二）、同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池中。
（三）、其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
5. 死亡状态（Dead）：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

 

多线程安全

synchronized

　　Synchronized关键字保证了数据读写一致和可见性等问题，但是他是一种阻塞的线程控制方法，在关键字使用期间，所有其他线程不能使用此变量，这就引出了一种叫做非阻塞同步的控制线程安全的需求；(同步机制采用了“以时间换空间”的方式)

volatile

　　Java语言规范中指出：为了获得最佳速度，允许线程保存共享成员变量的私有拷贝，而且只当线程进入或者离开同步代码块时才与共享成员变量的原始值对比。这样当多个线程同时与某个对象交互时，就必须要注意到要让线程及时的得到共享成员变量的变化。而volatile关键字就是提示VM：对于这个成员变量不能保存它的私有拷贝，而应直接与共享成员变量交互。使用建议：在两个或者更多的线程访问的成员变量上使用volatile。当要访问的变量已在synchronized代码块中，或者为常量时，不必使用。由于使用volatile屏蔽掉了VM中必要的代码优化，所以在效率上比较低，因此一定在必要时才使用此关键字。 就跟C中的一样 禁止编译器进行优化~~~~

ThreadLocal

　　ThreadLocal不是为了解决多线程访问共享变量，而是为每个线程创建一个单独的变量副本，提供了保持对象的方法和避免参数传递的复杂性。

　　顾名思义它是local variable（线程局部变量）。它的功用非常简单，就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，是每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会和其它线程的副本冲突。从线程的角度看，就好像每一个线程都完全拥有该变量。(ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式)

 

Long和Double 64Bit的特殊类型

 　　对long和double的简单操作之外，volatile并不能提供原子性。所以，就算你将一个变量修饰为volatile，但是对这个变量的操作并不是原子的，在并发环境下，还是不能避免错误的发生！

　　Java内存模型lock、unlock、read、load、assign、user、store、write这8个操作都有原子性，但是java内存模型将没有被volatile修饰的64位的数据的读写操作划分为两次32为的操作来进行，这样的话，多线程并发，就会存在线程可能读取到“半个变量”的值，不过，这种情况非常罕见，目前各平台的商用虚拟机几乎都选择把64位的读写作为原子操作来实现规范的。

 

Java内存大小

1. -Xms 为jvm启动时分配的内存，比如-Xms200m，表示分配200M

2. -Xmx 为jvm运行过程中分配的最大内存，比如-Xms500m，表示jvm进程最多只能够占用500M内存

3. -Xss 为jvm启动的每个线程分配的内存大小，默认JDK1.4中是256K，JDK1.5+中是1M

 

note : 解释多线程

　　1. Java语言作为高级语言支持多线程的操作，主要是为了解决单线程因阻塞而带来的效率问题，同时也充分利用多核CPU的优势。使用多线程也带了问题，线程之间如何通信？线程之间如何和同步？

　　2. 线程之间的通信是依靠共享内存和线程方法的调用来实现。在多线程的体系下，Java的内存模型分为主内存和共享内存，通过内存之间的数据交换，依赖多线程的可见性，实现线程之间的通信；线程具有基本状态，主动调用线程的wait、notify方法也可以实现线程之间的通信。

 　  3.线程的同步也是并发线程操作共享变量所带来的问题。多线程允许使用synchronize、volatile、ThreadLocal来保证多线程的安全。synchronize是一个重量级的锁，直接使得线程阻塞，单线程顺利执行，对于更新变量不会有并发操作，很大程度的降低的系统的性能。volatile是一个轻量级的原子锁，对于volatile修饰的变量，每一次的读和写，都必须和主内存交互，他禁止了编译器和处理器的一些重排序优化。