12.1 Java內(nèi)存模型

12.1.1 主內(nèi)存與工作內(nèi)存

Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序各個變量的訪問規(guī)則，線程對變量的所有操作（讀取、賦值等）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量.

12.1.2 內(nèi)存間交互操作

關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間的具體交互協(xié)議，即一個變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存、如何從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存之間的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，Java內(nèi)存模型定義了以下八種操作來完成：

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個變量標(biāo)識為一條線程獨占狀態(tài)。
• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存變量，把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read（讀?。鹤饔糜谥鲀?nèi)存變量，把一個變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動作使用
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時執(zhí)行這個操作。
• store（存儲）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作。
• write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中。

如果要把一個變量從主內(nèi)存中復(fù)制到工作內(nèi)存，就需要按順尋地執(zhí)行read和load操作，如果把變量從工作內(nèi)存中同步回主內(nèi)存中，就要按順序地執(zhí)行store和write操作。Java內(nèi)存模型只要求上述操作必須按順序執(zhí)行，而沒有保證必須是連續(xù)執(zhí)行。也就是read和load之間，store和write之間是可以插入其他指令的，如對主內(nèi)存中的變量a、b進(jìn)行訪問時，可能的順序是read a，read b，load b， load a。Java內(nèi)存模型還規(guī)定了在執(zhí)行上述八種基本操作時，必須滿足如下規(guī)則：

• 不允許read和load、store和write操作之一單獨出現(xiàn)
• 不允許一個線程丟棄它的最近assign的操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須同步到主內(nèi)存中。
• 不允許一個線程無原因地（沒有發(fā)生過任何assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。
  一個新的變量只能在主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量。即就是對一個變量實施use和store操作之前，必須先執(zhí)行過了assign和load操作。
• 一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進(jìn)行l(wèi)ock操作，lock和unlock必須成對出現(xiàn)
• 如果對一個變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值
• 如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對它執(zhí)行unlock操作；也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量。
• 對一個變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）。

12.1.3 重排序

在執(zhí)行程序時為了提高性能，編譯器和處理器經(jīng)常會對指令進(jìn)行重排序。重排序分成三種類型：

1.編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義放入前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。

2.指令級并行的重排序?，F(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。

3.內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

從Java源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列，會經(jīng)過下面三種重排序：

為了保證內(nèi)存的可見性，Java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。Java內(nèi)存模型把內(nèi)存屏障分為LoadLoad、LoadStore、StoreLoad和StoreStore四種：

12.1.4 對于volatile型變量的特殊規(guī)則

• volatile修飾變量只能保證變量對所有線程的可見性，在不符合以下兩條規(guī)則的場景中，我們?nèi)砸ㄟ^加鎖來保證原子性：
  1.運算結(jié)果并不依賴變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有單一的線程修改變量的值。
  2.變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束。

• volatile修飾變量是禁止指令重排序

12.1.5 原子性、可見性與有序性

• 原子性：由Java內(nèi)存模型來直接保證的原子性變量操作包括read、load、assign、use、store和write， 除long和double，其他基本數(shù)據(jù)類型訪問和讀寫都是原子性的， synchronized塊之間的操作也是原子性的。

• 可見性：是指當(dāng)一個線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個修改。volatile、final、synchronized能實現(xiàn)可見性

• 有序性： 如果在本線程內(nèi)觀察，所有的操作都是有序的，如果在一個線程中觀察另外一個線程，所有的操作都是無序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語義” ， 后半句是指“指令重排序” 現(xiàn)象和 “工作內(nèi)存與主存同步延遲”現(xiàn)象， volatile、synchronized能實現(xiàn)有序性

12.1.6 Happens-Before規(guī)則

它是判斷數(shù)組是否存在競爭、線程是否安全的主要依據(jù)。依靠這個原則，我們可以通過幾條規(guī)則一攬子解決并發(fā)環(huán)境下兩個操作之間是否可能存在沖突的所有問題.

Happens-Before規(guī)則是Java內(nèi)存模型中定義的兩項操作之間的偏序關(guān)系，如果說操作A先行發(fā)生于操作B，其實就是說發(fā)生在操作B之前，操作A產(chǎn)生的影響能不操作B觀察到，"影響"包括修改了內(nèi)存中共享的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等。

• 程序次序規(guī)則：在一個線程內(nèi)，應(yīng)該按照控制流程順序。
• 管程鎖定規(guī)則：一個unlock操作先行發(fā)生于后面對用一個鎖的lock操作。
• volatile變量規(guī)則：對一個volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作。
• 對象終結(jié)規(guī)則：一個對象的初始化完成先行發(fā)生于它的finalize()方法。
• 傳遞性：A先行發(fā)生于B，B先行發(fā)生于C，那么A一定先行發(fā)生于C。
• 線程啟動規(guī)則：start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作。
• 線程終止規(guī)則：線程中所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測。
• 線程中斷規(guī)則：interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生。

12.2 Java與線程

12.2.1 線程的實現(xiàn)

1. 使用內(nèi)核線程實現(xiàn)
內(nèi)核線程（Kernel-Level Thread）就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程，這種線程由內(nèi)核來完成線程切換，內(nèi)核通過操縱調(diào)度器對線程調(diào)度，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射到各個處理器上。
優(yōu)勢：內(nèi)核控制
劣勢：線程切換需要系統(tǒng)調(diào)用，代價較高

2. 使用用戶線程實現(xiàn)
狹義的用戶線程指完全建立在用戶空間的線程庫上，系統(tǒng)內(nèi)核不能感知線程存在的實現(xiàn)，
優(yōu)勢：是不用切換到內(nèi)核態(tài)，消耗資源少，
劣勢：線程的創(chuàng)建，切換和調(diào)度都是需要用戶程序自己考慮，非常復(fù)雜。

3. 使用用戶線程加輕量級進(jìn)程混合實現(xiàn)
將內(nèi)核線程與用戶線程一起使用的方式，許多UNIX系列的操作系統(tǒng)都提供此模型
優(yōu)勢：消耗資源少，使用方便。

4. Java線程的實現(xiàn)
JDK1.2之前，是基于稱之為“Green Threads”的用戶線程實現(xiàn)，JDK1.2中線程模型替換為基于操作系統(tǒng)原生線程模型來實現(xiàn)。

12.2.2 Java線程調(diào)度

線程調(diào)度是指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過程，主要調(diào)度方式有兩種：協(xié)同式線程調(diào)度 和搶占式線程調(diào)度

• 協(xié)同式線程調(diào)度
  線程執(zhí)行時間由線程本身來控制，線程把自己工作執(zhí)行完畢后，主動通知系統(tǒng)切換到另外一個線程上。
  優(yōu)勢：實現(xiàn)簡單，且沒有線程同步問題。
  劣勢：線程執(zhí)行時間不可控，導(dǎo)致阻塞。

• 搶占式線程調(diào)度
  每個線程由系統(tǒng)分配執(zhí)行時間，線程切換不由線程本身來決定。（Java使用的線程調(diào)度）
  優(yōu)勢：線程執(zhí)行時間可控，不會因一個線程阻塞導(dǎo)致整個系統(tǒng)進(jìn)程阻塞

Java語言一共設(shè)置了10個級別的線程優(yōu)先級，但是線程是映射到操作系統(tǒng)原生線程上，并不見得與java優(yōu)先級一一對應(yīng)

12.2.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

Java語言定義了5中線程狀態(tài)，在任意個時間點，一個線程只能有一種狀態(tài)。

• 新建（New）：新建后沒有啟動

• 運行（Runable）：有可能在運行，有可能在等待CPU分配時間。

• 無限期等待（Waiting）:不會被分配CPU執(zhí)行時間，要等待被其他線程顯示的喚醒.
  Object.wait()方法
  Thread.join()方法
  LockSupport.park()方法

• 限期等待（Timed Waiting）:不會被分配CPU執(zhí)行時間，不需要等待被其他線程顯示的喚醒.
  Thread.sleep();
  設(shè)置Timeout參數(shù)的Object.wait()方法
  設(shè)置Timeout參數(shù)的Thread.join()方法
  LockSupport.parkNanos()方法
  LockSupport.parkUntil()方法

• 阻塞（Block）:線程進(jìn)入同步區(qū)的時候進(jìn)入此狀態(tài)

• 結(jié)束（Terminated）:線程執(zhí)行完畢