深入理解 Java 虚拟机：Java 内存模型与线程
深入理解 Java 虚拟机：Java 内存模型与线程
- 什么是内存模型？
- 什么是高速缓存？
- 缓存一致性
- Java 内存模型
- 主内存
- 工作内存
- 内存间的交互操作
- volatile 关键字
- 对所有线程可见性
- 禁止指令重排序
- Java 内存模型的特征
- 原子性
- 可见性
- 有序性
- synchronized 缺点
- 先行发生原则
- “天然的” 先行发生关系
- Java 线程状态
什么是内存模型？
内存模型： 可以理解为，在特定的操作协议下，对特点的内存或高速缓存进行读写访问的过程的抽象。
什么是高速缓存？
在运算时，将需要使用到的数据从内存复制到缓存（Cache）中，以此让计算能更快的进行，计算结束后再从缓存同步回内存中，这样就无需频繁的等待缓慢的内存读写。
缓存一致性
缓存一致性： 在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存。
Java 内存模型
主内存
主内存是虚拟机内存的一部分。
Java 内存模型规定所的变量都存储在主内存中。
变量数据： 最根源的数据，线程不能直接操作。
工作内存
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，赋值等），都必须在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的数据。不同线程间也无法直接访问对方工作线程中的变量。
变量数据： 从主内存中拷贝来的副本，其他线程无法访问，操作结束后需写回主内存。
内存间的交互操作
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。
- lock（锁定）： 作用于
主内存的变量，把变量标记为某个线程独占。 - unlock（解锁）： 作用于
主内存的变量，释放一个锁定的变量。 - read（读取）： 作用于
主内存的变量，把一个变量的值从主内存传输到工作内存中，以便后续load动作使用。 - load（载入）： 作用于
工作内存的变量，将read过来的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，把工作内存中存在的一个变量传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值时就会执行这个操作。 - assign（赋值）： 作用于
工作内存的变量，把从执行引擎接收到的值，赋值给工作内存中的一个变量，当虚拟机遇到赋值操作时候执行操作。 - store（存储）： 作用于
工作内存的变量，把工作内存中的一个变量传递给主内存，一遍后续write动作使用。 - write（写入）： 作用于
主内存的变量，把store操作的值放入主内存的变量中。
将变量从主内存复制到工作内存： 顺序执行 read 和 load，只需按顺序即可，中间可插入其他指令。
从工作内存写回主内存： 顺序执行 sore 和 write，只需按顺序即可，中间可插入其他指令。
volatile 关键字
对所有线程可见性
特性： 保证此变量对所有线程的可见性，当一条线程修改了这个变量值，其他线程会立即收到通知。
volatile 关键字保证线程可见，不代表线程安全：
以下为 race ++ 的反编译结果
volatile 关键字 保证了线程可见性，因此只要去读数据，就可以拿到正确的数据
而这里的读操作，只有 getstatic 字节码指令，将数据读入栈顶（每个线程各自拥有，对外部可见）
而后续的不管是递增 iadd 还是回写回主内存 putstatic 指令之前都没有再去读数据
因此如果这期间如果数据发生了变更，在栈顶的数据就成了旧数据，回写回主内存就会产生覆盖，线程不安全。
禁止指令重排序
普通变量仅仅会保证在该方法的执行过程中，所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。
这么做的目的是一种机器级的优化操作，使得某个部分的汇编代码被提前执行。
volatile 可以避免这种的优化操作。
内存屏障：
volatile 是通过 内存屏障 来防止指令重排序的，反编译后即下图红色框框中的部分。
作用： 防止 内存屏障 后面的指令排序到 内存屏障 之前。
Java 内存模型的特征
Java 内存模型是围绕 并发过程中 如何处理 原子性、可见性 和 有序性 3 个特征来建立的。
原子性
直接 保证原子性的操作 包括：read、load、assign、use、store、write
基本数据类型的访问读写都是具备原子性的
例外的只有 long 和 double，具有非原子协定，但是各大虚拟机实现时，都把他们的读写操作作为原子操作来对待，因此知道下就好了，不需要太在意。
为了保证原子性，虚拟机提供字节码 monitorenter 和 monitorexit 来操作 lock 和 unlock，反应到代码层面就是 synchronized 关键字，因此 synchronized 块的操作也具有原子性。
可见性
可见性： 可见性是指，当一个线程修改了共享变量的值，其他变量能立即得知这个修改。
保证可见性的关键字： volatile、synchronized、final。
有序性
有序性： 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，所有操作都是无需的。前半句是指 “线程内表现为串行的语义”，后半句是指 “指令重排序” 现象和 “工作内存和主内存同步延迟” 现象。
防止指令重排序关键字： volatile、synchronized。
synchronized 缺点
synchronized 同时满足 3 大特性，看起来十分 “万能”，但过度滥用回导致性能问题。
先行发生原则
即多线程同时操作一个变量导致值不正确的线程不安全问题。
“天然的” 先行发生关系
即不需要同步器，在代码中能直接使用
- 程序次序规则： 在一个线程内，按照程序代码的顺序，写在前面的代码比写在后面的代码先执行。
- 管程锁定规则： 同一个锁，一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。不解锁就没法再锁定。
- volatile 变量规则： 对一个
volatile变量的写操作优先于后面这个变量的读操作，“后面” 是指时间上的先后顺序。 - 线程启动规则： Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每个动作。不启动线程，其他动作无法进行。
- 线程终止规则： 线程中所有操作都优先于此线程的终止检查，可通过
Thread.join() 方法结束、Thread.isAlive() 返回值等手段检查到线程已经终止执行。 - 线程中断规则： 对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检查到终端事件的发生，可通过
Thread.interrupt()方法检查到是否有中断发生。 - 对象终结规则： 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() 方法的发送
- 传递性： 操作 A 优先于操作 B，操作 B 优先于操作 C，操作 A 就必然优先于 操作 C
Java 线程状态
- 新建（New）： 创建后
尚未启动的线程状态 - 运行（Runable）： 包含了操作系统线程状态中的
Runable和Ready状态，处于此状态下的线程可能处于正在执行或者等待 CPU 分配执行事件。 - 无期限等待（Waiting）： 此状态的线程
不会被分配执行事件，需要等待被其他线程唤醒。以下方法会让线程进入Waiting。
没有设置Timeout参数的Object.wait()方法。
没有设置Timeout参数的Object.join()方法。
LockSupport.park()方法。 - 限期等待（Time Waiting）： 此状态下线程
不会被分配 CPU 执行时间，不过无需其他线程显式的唤醒，在一定时间后由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入Time Waiting。
Thread.sleep()。
设置Timeout参数的Object.wait()方法。
设置Timeout参数的Object.join()方法。
LockSupport.parkNanos()方法。
LockSupport.parkUnit()方法。 - 阻塞（Blocked）：
“阻塞状态”在等待获取一个排他锁，需要另一个线程放弃这个锁的时候发生。 - 结束（Terminated）：
已终止线程的状态，现在已经结束执行。