《深入理解Java虚拟机》学习笔记（7）--Java内存模型与线程

为了解决CPU与内存之间速度不匹配的问题，会CPU和内存之间加入一个高速缓存（Cache）。对于多核（即多个CPU）系统，每个CPU都会有自己的高速缓存。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也引入了新的问题：缓存一致性，即多个CPU共享同一个主内存，会把主内存的数据缓存到各自的高速缓存中，当各CPU的高速缓存中的数据不一致时，以哪个高速缓存中的数据为准呢？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作。以上模型，可以用下图表示：

除此之外，为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行优化。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译中也有类似的指令重排序优化。

Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量包括了实例字段、静态字段和构造数组对象的元素，但不包括局部变量和方法参数，因此这两者是线程私有的，不会在线程间共享。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。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。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值得传递均需要通过主存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图。

主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次说，主内存就直接对应于物理硬件的内存，而工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中。

内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实验细节，Java内存模型中定义了8种操作来完成：

• lock(锁定)：作为主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
• unlock(解锁)：作为主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其它线程锁定。
• read(读取)：作用于主内存的变量，它把一个变量的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，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值得字节码
• 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命令。
• store(存储)：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
• write(写入)：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

 Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
• 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步会主内存中。
• 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过assign和load操作。
• 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock之后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
• 如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store和write操作）。

对于volatile型变量的特殊规则

当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两种特性，

第一是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的；

第二个特性是禁止指令重排序优化。

对于long和double型变量的特殊规则

 Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store和write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型long和double，在模型中特别定义了一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性，这点就是所谓的long和double的非原子性协定。

 如果有多个线程共享一个未被声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读到一个既非原值，也非其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值。但这种情况几乎不会发生，因为各商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此在编码时，不需要将long和double变量专门声明为volatile。

原子性、可见性和有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的：

• 原子性（Atomicity）

由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。在synchronized块之间的操作也具备原子性。

• 可见性（Visibility）

可见性就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知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前都立即从主内存刷新。因此volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不保证。

synchronized也可以实现可见性，它是通过“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中"这条规则获得的。

final也可以实现可见性，对final修饰的字段在构造器中一量初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去，那在其他线程中就能看见final字段的值。

• 有序性（Ordering）

Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。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“工作内存与主内存同步延迟”现象。

volatile和synchronized可以保证线程之间操作的有序性。volatile通过禁止指令重排实现有序性；synchronized通过”一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得有序性，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

先行发生原则

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。通俗地说，A先行发生于B，意思就是说如果A先执行，B后执行，则B执行时可以看到A操作的结果。

下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发送关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，他们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们进行随意重新排序。

         （1）程序次序规则（Program Order Rule）： 在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。

         （2）管程锁定规则（Monitor Lock Rule）： 一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而“后面”是指时间上的先后顺序。

         （3）volatile变量规则（Volatile Variable Rule）： 对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。“后面”是指时间上的先后顺序。

         （4）线程启动规则（Thread Start Rule）： Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

         （5）线程终止规则（Thread Termination Rule）： 线程中所有操作都先行发生于此线程的终止检测。

         （6）线程中断规则（Thread Interruption Rule）： 对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。

         （7）对象终结规则（Finalizer Rule）： 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()方法的开始。

         （8）传递性（Transitivity）： 如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得到操作A先行发生于操作C。

上述规则可能不大好理解，比如上面的管程锁定规则，说人话就是：如果线程A先执行unlock操作，接着线程B对同一个锁执行了lock操作，那么线程A unlock操作之前的操作都是对线程B都是可见的。再比如volatile变量规则，说人话就是：如果线程A先对一个volatile变量执行写操作，接着线程B对这个变量执行读操作，那么线程B可以读到线程A写入的值。而不具备先行发生规则的两个操作，即使线程A操作在前，线程B操作在后（时间上），线程B也不一定能看见线程A操作的结果。

Java与线程

线程的实现

实现线程主要有三种方式： 使用内核线程实现，使用用户线程实现，使用用户线程加轻量级进程混合实现 。

Java在windows和linux上都是通过内核线程来实现的，即一个Java线程对应操作系统里的一个线程。

Java线程是抢占式调度方式。

Java线程的状态

Java语言定义了5种线程状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且只有其中的一种状态，这5种状态分别是：

• 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于该状态。
• 运行（Runnable）：包括了操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是要么正在执行，要么等待分配执行时间。
• 无限期等待（Waiting）：处于该状态的线程不会被CPU分配执行时间，它们要等待被其他线程显式地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态：没有设置Timeout参数的Object.wait()方法；没有设置Timeout参数的Thread.join()方法；LockSupport.park()方法。
• 限期等待（Timed waiting）：处于该状态的线程也不会被CPU分配执行时间，但它们无须等待被其他线程显式地唤醒，在一定时间后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态：Thread.sleep()方法；设置了Timeout参数的Object.wait()方法；设置了Timeout参数的Thread.join()方法；LockSupport.parkNanos()方法；LockSupport.parkUntil()方法。
• 阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是：“阻塞状态”在等待着获取到一个排他锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而“等待状态”则是在等待一段时间或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域（比如synchronized块）的时候，线程将进入阻塞状态。
• 结束（Terminated）：已终止线程的状态，线程已经结束执行。

上述5种状态会互相转换，如下图所示：