java 内存模型（JMM）与并发

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计算机物理内存模型

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java 内存模型 JMM

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Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与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，可与前面讲的处理器高速缓存类比），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（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，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成

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现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，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
- 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接收到的值赋给工作内存的变量，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

对于volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，
- 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
  - 是Java里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的

/**
    - Created BY poplar ON 2019/12/7

    - volatile在并发环境下并非原子操作
      */
      public class VolatileTest {

      public static volatile int race = 0;

      public static void increase() {
          race++;
      }

      public static final int THREAD_COUNT = 20;

      public static void main(String[] args) {
          for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
              new Thread(() -> {
                  for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                      increase();
                  }
              }).start();
          }

      //等待所有累加线程都结束,如果还有线程在运行，主线程就让出cpu资源
      while (Thread.activeCount() > 2) {//由于idea原因此处不能为一
          Thread.yield();
      }
      System.out.println(race);

      }

      /*
      public static void increase();
      descriptor: ()V
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
      Code:
        stack=2, locals=0, args_size=0
           0: getstatic     #2                  // Field race:I
           3: iconst_1
           4: iadd
           5: putstatic     #2                  // Field race:I
           8: return
           当getstatic指令把race的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了race的值在此 时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这些指令的时候，
           其他线程可能已经把race的值加大 了，而在操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值 同步回主内存之中
      */
      }

禁止指令重排序优化

/**
 * Created BY poplar ON 2019/12/8
 * volatile静止指令重排序演示代码
 */
public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Singleton.getInstance();
    }
}
/*
instance = new Singleton();
这段代码可以分为如下的三个步骤：
memory = allocate();  // 1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); // 2：初始化对象
instance = memory;    // 3：设置instance指向刚分配的内存地址
我们知道，编辑器和处理器会进行代码优化，而其中重要的一点是会将指令进行重排序。
上边的代码经过重排序后可能会变为：
memory = allocate();  // 1：分配对象的内存空间
instance = memory;    // 3：设置instance指向刚分配的内存地址
					  // 注意：此时对象尚未初始化
ctorInstance(memory); // 2：初始化对象

代码对应的汇编的执行过程
* 0x01a3de0f：mov		$0x3375cdb0，%esi		;……beb0cd75 33
											;{oop（'Singleton'）}
0x01a3de14：mov		%eax，0x150（%esi）		;……89865001 0000
0x01a3de1a：shr		$0x9，%esi				;……c1ee09
0x01a3de1d：movb	$0x0，0x1104800（%esi）	;……c6860048 100100
0x01a3de24：lock	addl$0x0，（%esp）		;……f0830424 00
											;*put static instance
											;-
Singleton：getInstance@24

生成汇编码是lock addl $0x0, (%rsp), 在写操作（put static instance）之前使用了lock前缀，锁住了总线和对应的地址，这样其他的CPU写和读都要等待锁的释放。
当写完成后，释放锁，把缓存刷新到主内存。
加了 volatile之后，volatile在最后加了lock前缀，把前面的步骤锁住了，这样如果你前面的步骤没做完是无法执行最后一步刷新到内存的，
换句话说只要执行到最后一步lock，必定前面的操作都完成了。那么即使我们完成前面两步或者三步了，还没执行最后一步lock，或者前面一步执行了就切换线程2了，
线程B在判断的时候也会判断实例为空，进而继续进来由线程B完成后面的所有操作。当写完成后，释放锁，把缓存刷新到主内存。
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* */

Java与Thread

线程的实现
- 实现线程主要有3种方式：使用内核线程实现、使用用户线程实现和使用用户线程加轻量级进程混合实现。
- 内核线程（Kernel-Level Thread,KLT）

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用户线程（User Thread,UT）使用用户线程的优势在于不需要系统内核支援，劣势也在于没有系统内核的支援，所有的线程操作都需要用户程序自己处理

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使用用户线程加轻量级进程混合实现

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Java线程的实现
- 在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，在很大程度上决定了Java虚拟机的线程是怎样映射的，这点在不同的平台上没有办法达成一致，虚拟机规范中也并未限定Java线程需要使用哪种线程模型来实现。
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，分别是协同式线程调度（Cooperative Threads-Scheduling）和抢占式线程调度（Preemptive ThreadsScheduling）。
协同式线程调度，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。
使用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
Java使用的线程调度方式就是抢占式调度
线程状态转换