［Java虚拟机］Java内存模型与线程

深入理解Java虚拟机读书笔记

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第12章

主内存和工作内存

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。为了获得较好的执行效能，Java内存模型咩有并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权利。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中(Main Memory)中（此处的主内存和介绍物理硬件时的主内存名字一样，两者也可以互相类比，但此处仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面所讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保存了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，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存的交互关系如图：

内存间交互操作

关于主内存和工作内存之间具体的交互协议，即一个遍历那个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内存模型中定义了一下八种操作来完成：

• lock(锁定)：作用于主内存的变量，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的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时执行这个指令。
• 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。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要按顺序执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按照顺序地执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。Java内存模型规定了在执行上述八种基本操作时必须满足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
• 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作
• 不允许一个线程无原因的（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步到主内存中
• 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
• 一个变量在同一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）

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，新值对于其他的线程是可以立即得知的。

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，我们仍然要通过加锁（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类）来保证原子性

• 运算结果并不依赖于变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
• 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢上一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障（Memory Barrier或Memory Fence）指令来保证处理器不发生乱序执行。不过即便如此，大多数场景volatile的总开销仍然要比锁来的低。

对于long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求对于lock、unlock、read、load、assign、use、store和write这八个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double），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。

原子性、可见性与有序性

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本生就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步代码块只能串行的进入。

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。

以下是Java内存模型下一些天然的先行发生关系，这些关系无需任何同步器协助就已经存在。

• 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。准确的说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。
• 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，而后面是指事件上的先后顺序。
• 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，这里的后面同样是指时间上的先后顺序。
• 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。
• 线程终止规则（Thread Termination Rule）:对线程所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join() 方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
• 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，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
• 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。
• 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，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

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（线程是CPU调度的最基本单位）。

实现线程主要有三种方式：

1. 使用内核线程实现
2. 使用用户线程实现
3. 混合实现
4. Java线程的实现

Java线程调度

线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要调度方式有两种，分别是协同式（Cooperative Threads-Scheduling）线程调度和抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度。

使用协同式调度的多线程系统，线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完了之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上去。协同式多线程的最大好处是实现简单，而且由于线程要把自己的事情干完后才会进行线程切换，切换操作对自己是可知的，所以没有什么线程同步的问题。坏处是线程执行时间不可控制，甚至如果一个线程编写有问题，一直不告知系统进行线程切换，那么程序就会一直阻塞在那里。

抢占式调度的多线程系统，那么每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定（在Java中，Thread.yield()可以让出执行时间，但是要获取执行时间的话，线程本身是没有什么办法的）。在这种实现线程调度的方式下，线程的执行时间是系统可控的，也不会有一个线程导致整个进程阻塞的问题，Java使用的线程调度方式就是抢占式调度。

状态转换

Java定义了5种进程状态

• 新建（New）:创建后尚未启动的线程处于这种状态。
• 运行(Runnable)：Runnable包括了操作系统状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可能正在执行，也有可能正在等待CPU为它分配执行时间。
• 无限期等待（Waiting）:处于这种状态的进程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被其他线程显示的唤醒。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）:处于这种状态的进程不会被分配CPU执行时间，不过无需等待被其他线程显示的唤醒，在一定时间之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.parkUnitil()方法
• 阻塞（Blocked）:进程被阻塞了，阻塞状态和等待状态的区别是：阻塞状态在等待着获取到一个排它锁，这个事件将在另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。