《深入理解Java虚拟机》笔记--Java内存模型与线程

1.硬件的效率一致性

• 基于高速缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题：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，当多个处理器的运算任务都设计到同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致
• 除了增加高速缓存之外，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，处理器会在计算之后将乱序执行的结果进行重组，保证结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入的代码中的顺序一致，因此，如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序优化

2.Java内存模型

• Java内存模型是用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
• Java内存模式的主要目的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。（此处的变量与Java编程中的变量有所区别，包括了实例字段、静态字段、和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会出现竞争问题）

2.1主内存与工作内存

这里说的主内存，与之前说的Java内存区域的堆、栈等并不是一个层次的内存划分，基本上说没有关系的

• 所有的变量都存储在主内存
• 每条线程有自己的工作内存
• 线程的工作内存保存了该线所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
• 不同的线程直接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（volatile变量修饰的其他线程立即可见，但应该也是通过了主内存吧？）（解：是的，volatile每次使用变量的值都必须立刻同步到主内存中，保证其他线程可以看到自己对变量做的修改）

2.3内存间交互操作

主内存与工作内存直接的具体交互协议，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现细节，Java内存模型规定来9种操作，每一种都是原子操作（对于double和long类型不同平台允许有例外）

• lock(锁)：作用于主内存的变量，它把一个变量标示为一条线程独占的状态
• unlock(解锁)：作用于主内存的变量，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他线程锁定
• 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，以便随后到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的值放入到工作内存的变量副本中
• use(使用)：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的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的字节码指令时，就会执行这个操作
• 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，它把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便于随后的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到主内存变量中

上述8种基本操作需要满足以下规则

1. 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了回写但主内存不接受着两种情况出现
2. 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中值改变了后必须把改变化同步到主内存
3. 不允许一个线程无原因地（没有发生任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存
4. 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的(load、assign)的变量，也就是说，对一个变量实施user、store操作之前，必须先执行过load、assign操作
5. 一个变量在同一时刻值允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一条线程反复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁
6. 如果对一个变量进行lock操作，则将会清空工作内存中此变量的值（我理解是为了保证该值是最新的值，也就是说应该以主内存的值为准），在执行引擎使用这个变量之前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
7. 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的值
8. 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、write操作)

2.4对于volatile型变量的特殊规则

使用volatile的变量将会获得两个特性：可见性、禁止指令重排优化
tip：volatile变量没有原子性

可见性

• 一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是立即可以得知的，而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程直接传递均需要通过主内存
• 被volatile修饰的变量对所有线程数立即可见的，volatile变量在各个线程中一致，但并不能说基于volatile变量的运算在并发性是安全的，因为Java里面的运算非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的
• 由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，仍然需要通过加锁来保证原子性

1. 运算结果并不依赖变量当前的值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
2. 变量不需要于其他的状态变量共同参与不变的约束
   禁止指令重排优化

• 普通的变量仅仅回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的执行顺序一致

volatile变量简单总结：

• 在工作内存中，每次使用被volatile修饰的变量都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对该变量所做修改后的值
• 在工作内存中，每次修改被volatile修饰的变量的值后，都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对该变量所做的修改
• 被volatile修饰的变量不会被指令重排优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同

2.5对于double和long型变量的特殊规则

double和long型变量非原子性协定：对于64位数据类型，允许虚拟机没有被volatile修饰的64位数据类型划分为两次32位的操作进行，即允许虚拟机实现可以选择不保证64位数据类型的load、store、read、write这4个操作的原子性（注意：是没有被volatile修饰的。但是volatile不是只有可见效没有原子性么？还是说普通变量都具有原子性，但是对于64位可以不保证，但是如果64位数据加上了volatile修饰，就需要保证其原子性？）
因为现在虚拟机几乎都是选择把64位数据的读写作为原子操作来对待，所以写代码时，一般不需要对double和long变量专门声明为volatile。（一般？那不一般呢？）

2.6原子性、可见行、有序性

• 原子性：一旦开始，不能中断（操作不可再分）
• 可见行：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

1. 普通变量和被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，以及每次使用立即从主内存刷新
2. 除了volatile关键字外，synchronized和final关键字也实现可见行

• 有序性：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。（前半句是指线程内变现为串行的语义，后半句是指指令重排序和工作内存与主内存同步延迟的现象）

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程直接操作的有序性，volatile本身就包含了禁止指令重排序的语言，而synchronized则是由“一个变量一个时刻只能有一条线程对其进行lock操作”这条规则定义的，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

2.7先行先发原则

以下的规则是Java内存模型天然的先行发生关系，这些先行发生关系无序任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作直接的关系不在此列，并且从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序行保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序

• 程序次序规则：在一个线程内，按照程序执行顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
• 管理锁定规则：一个unlock操作先行发生与后面对同一个锁的lock操作
• volatile变量规则：对于一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
• 线程启动规则：Thread()对象是start()方法先行于此线程的每一个动作
• 线程终止规则：线程中的所有操作都应先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()结束,Thread.isAlive()的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()方法等调用先行发生于被中断线程的代码检测事件等发生，可以通过对Threadinterrupt()方法检测到是否有中断发生
• 对象终止规则：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()方法的开始
• 传递性：如果操作A先行于B，B先行于C，则可以得出A操作先行于C操作

时间上的先发生，不能说明这个操作上先行发生，操作如果先行发生也不能说明这个操作必定是时间上的先发生

3.Java与线程

OOXX一堆之后描述的是3种线程实现：内核线程实现、用户线程实现、用户线程加轻量级进程混合实现

3.1Java线程的实现

JDK1.2前是基于用户线程实现，1.2后是基于操作系统原生线程模型实现（不在前面说的3个之中啊？）

3.2Java线程调度

线程调度说指系统为线程分配处理器使用权的过程

• 协同式线程调度：多线程系统线程的执行时间由线程本身控制，线程把自己的工作执行完成后要主动通知系统切换到另一个线程上。
  优点：实现简单，而且由于线程要把自己的事情干完才会进行线程切换，切换操作对线程自己是可知的所有没什么线程同步的问题
  缺点：线程执行时间不可控制，如果一个线程编写的有问题，一直不告知系统，那么程序会阻塞在那里
• 抢占式调度：每个线程将有系统来分配执行时间，线程的切换也不说线程自己决定了。
  优点：线程的执行时间可控，不会有一个线程导致进程阻塞的问题

虽然可以为线程指定优先级，但是不一定靠谱，因为Java线程数通过映射到系统的原生线程上来实现的，所以最后的线程调度还是取决于操作系统

3.3状态转换

Java语言定义了5种线程状态，在任意一个时间点，一个线程有且只有其中的一组状态

• 新建(New)：创建后尚未启动的线程处于这种状态
• 运行(Runable)：处于此状态的线程可能正在执行，也有可能在等待CPU为它分配执行时间
• 无限期等待(Waiting)：处于这种状态的线程不会被CPU分配执行时间，它们要等待被其他线程唤醒。以下方法会让线程陷入无限期等待状态：
  1没有设置Timeout参数的Object.wait()方法
  2没有设置Timeout参数的Thread.join()方法
  3LockSupport.park()方法
• 限期等待(Timed Waiting)：处于这种状态的线程也不会被CPU分配执行时间，不过无需等待被其他线程唤醒，在一定时间后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程陷入限期等待状态：
  1Thread.sleep()方法
  2设置Timeout参数的Object.wait()方法
  3设置Timeout参数的Thread.join()方法
  4LockSupport.parkNanos()方法
  5LockSupport.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的时候，线程将进入这种状态
• 结束(Terminated)：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行