Java并发（1）--并发基本：CPU缓存、Java内存模型、Java线程

一：CPU缓存

并发：多个线程操作相同的资源，保证线程安全，合理使用资源
高并发：服务能同时处理很多请求，提高程序性能

1. CPU多级缓存

CPU多级缓存与缓存一致性

CPU的频率越来远快，相对内存快了一个数量级，对于访存的操作CPU就需要等待主存，这样会导致资源的白白浪费，因此引入了缓存机制。
cache 的工作原理是基于“局部性”原理，它包含以下两个方面：
1. 时间局部性：如果某个数据被访问，那么不久将来它很可能再次被访问。
2. 空间局部性：如果某个数据被访问，那么与它相邻的数据也可能被访问。

2. 缓存一致性

MESI协议。在MESI协议中，每个Cache的Cache控制器不仅知道自己的读写操作，而且也监听(snoop)其它Cache的读写操作。每个Cache line所处的状态根据本核和其它核的读写操作在4个状态间进行迁移。 M
乱序执行优化：处理器为提高运算速度而做出违背代码原有顺序的优化

二： Java内存模型

全面理解Java内存模型(JMM)及volatile关键字

1. 主内存和工作内存

Java内存模型(即Java Memory Model，简称JMM)本身是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。
由于JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间)，用于存储线程私有的数据，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量，工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信（传值）必须通过主内存完成。

主内存：
主要存储的是Java实例对象，所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)，当然也包括了共享的类信息、常量、静态变量。由于是共享数据区域，多条线程对同一个变量进行访问可能会发现线程安全问题。
工作内存：
主要存储当前方法的所有本地变量信息(工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝)，每个线程只能访问自己的工作内存，即线程中的本地变量对其它线程是不可见的，就算是两个线程执行的是同一段代码，它们也会各自在自己的工作内存中创建属于当前线程的本地变量，当然也包括了字节码行号指示器、相关Native方法的信息。注意由于工作内存是每个线程的私有数据，线程间无法相互访问工作内存，因此存储在工作内存的数据不存在线程安全问题。

内存间交互方式为8个原子性操作和相关规定，这些规定针对 volatile  变量有一些特殊规定

2. volatile 变量

volatile内存语义
- 保证被volatile修饰的共享变量对所有线程总数可见的，也就是当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总是可以被其他线程立即得知。
- 禁止指令重排序优化。

3. 原子性、可见性、有序性

原子性指的是一个操作是不可中断的，即使是在多线程环境下，一个操作一旦开始就不会被其他线程影响。由Java内存模型直接保证的原子性变量操作read、load、assign、use、store和write。在更大范围的原子性保证中，还提供了 lock 和 unlock 操作，这两个字节码指令反应到Java代码中就是同步块-synchronized 关键字。

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得到这个修改。volatile、synchronized 、final 修饰的变量都可以实现可见性

有序性是指对于单线程的执行代码，我们总是认为代码的执行是按顺序依次执行的，这样的理解并没有毛病，毕竟对于单线程而言确实如此，但对于多线程环境，则可能出现乱序现象，因为程序编译成机器码指令后可能会出现指令重排现象，重排后的指令与原指令的顺序未必一致，要明白的是，在Java程序中，倘若在本线程内，所有操作都视为有序行为，如果是多线程环境下，一个线程中观察另外一个线程，所有操作都是无序的，前半句指的是单线程内保证串行语义执行的一致性，后半句则指指令重排现象和工作内存与主内存同步延迟现象。

4. 先行发生原则

Java内存模型存在一些天然的先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在。然后两个操作之间的关系不在天然先行关系内，它们就没有顺序保障，就可能进行指令重排。

三： Java与线程

1. 线程的实现

线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度
实现线程主要有三种方式

1. 使用内核线程实现
   内核线程就是直接由操作系统内核支持的线程，由内核来完成线程间的切换。应用程序通过内核线程的一个高级借口-轻量级进程来使用线程，这种方式为一对一的线程模型。
2. 使用用户线程
   线程完全建立在用户空间的线程上，系统内核感知不到线程存在。这种当时为一对多的线程模型。但是这种线程应对阻塞等问题时难以解决，JAVA已弃用
3. 使用用户线程加轻量级进程混合实现
   结合两者的优点，也就是多对多线程。

对于Java线程来说，线程模型基于操作系统原生线程模型来实现，因此，不同操作平台的线程模型可能不一样。Sun JDK 为一对一的线程模型，Sloaris平台中，支持一对一和多对多。

2. Java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，分为协同式线程调度和抢占式线程调度。
协同式线程调度：线程的执行时间由线程本身控制，线程执行完后通知系统更换到另一线程。这种方式导致线程执行时间不可控制。
抢占式线程调用：每个线程由系统分配执行时间，线程的切换不由线程本身决定，Java就是采用的这种机制。

另外，Java线程中的优先级不一定可靠。

3. Java线程状态转换

Java线程的6种状态及切换(透彻讲解)

1. 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。
2. 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的称为“运行”。
   线程对象创建后，其他线程(比如main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，等待被线程调度选中，获取CPU的使用权，此时处于就绪状态（ready）。就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态（running）。
3. 阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。
4. 等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
5. 超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。
6. 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。