Java线程内存模型的理解（一）

Java多线程：内存模型

1.引言

    在Java中，因为有jdk的封装，线程使用起来很方便，可以不用关注很多实现上的细节问题。但是由于存在共享变量（方法区，堆区），在实际的开发中需要规避多线程数据不一致问题。
　要规避多线程数据不一致问题，甚至因为并发操作带来程序崩溃，就必须对java的多线程机制有正确的认识。比如：多个线程操作共享变量时，怎么进行读写的，为什么会出现拿到错误数据正确原因分析，锁机制又是怎么解决多线程安全问题的。如果真正理解多线程的工作原理，那实际开发对多线程就不会怂了。

2.Java内存模型

    Java虚拟机规范中视图定义一种Java内存模型，能够屏蔽不同操作系统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内存模型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（局部变量、方法参数是线程私有的，不属于共享变量，这里的变量指的是共享变量）存储到内存和从内存中取出来变量的底层细节。

2.1 主内存和工作内存基本存储规则

• （1）变量存储在主内存：变量（线程共享的：实例字段、静态字段）都存储在主内存
• （2）工作内存存放主内存变量的副本：每个线程有自己的工作内存，线程的工作内存保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝
• （3) 不能直接读写主内存的变量：线程对变量的所有操作（读写）都必须在工作内存进行，不能直接读写主内存的变量
• （4）线程间工作内存隔离：不同线程间无法直接访问对方工作内存中的变量
• （5）主内存是工作线程通信的桥梁：线程间变量值的传递都需要通过主内存来完成

2.2 内存间交互操作

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的实现细节，jvm定义了8中操作完成，这8种操作，虚拟机在实现时必须保证操作的原子性、不可再分（long和double在某些平台允许有例外）。

• lock（锁定）：作用于主内存变量，将一个变量标识为线程独占的状态
• unlock（解锁）：作用于主内存变量，释放锁定状态的变量，释放出来的变量才可以被其他线程锁定
• read（读取）：作用于主内存变量，把变量值从主内存传输到线程的工作内存中
• load（载入）：作用于工作内存变量，把read操作从主内存得到的变量值放入工作内存的变量副本中
• use（使用）：作用于工作内存变量，将工作内存的值赋给执行引擎，每次虚拟机有读取变量的字节码指令时执行该操作
• assign（赋值）：作用于工作内存变量，把从执行引擎收到的值赋给工作内存的变量，每次虚拟机有给变量赋值的字节码指令时执行该操作
• store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的变量值传送到主内存中
• write（写入）：作用于主内存变量，将store从工作内存中得到的变量值放入主内存变量中
  主内存复制到工作内存：read->load
  工作内存同步回主内存：store->write

问题：什么时候从工作内存同步回主内存？

8种交互操作间关系示意图：

2.3 8种操作规则（约定操作方式的规范）

• （1）不允许read和load、store和write操作之一单独出现；
• （2）不允许线程丢弃最近的assign操作；
• （3）不允许线程没有发生过任何assign操作把数据从工作线程同步回主内存；
• （4）一个新的变量必须在主内存中创建；
• （5）一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作；
• （6）对一个变量进行lock操作，会清空此变量在工作内存中值，在使用这个变量前，需要重新load或assign操作初始化变量的值；
• （7）变量没有被lock，就不允许对其进行unlock操作；
• （8）对一个变量执行unlock操作前，必须把此变量同步回主内存（store、write）

3.基于内存访问规则判定是否线程安全——先行发生原则

如何确定某一个访问在并发环境下是否安全？——先行发生原则
判断数据是否存在竞争、线程是否安全的依据

• （1）程序次序规则：在一个线程内，按照程序控制流执行顺序，书写在前面的操作先行发生于后面书写的操作；
• （2）管程锁定规则：unlock操作先行发生于后面（时间上的先后顺序）对同一个锁的lock操作。
• （3）volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面（时间上的先后顺序）对这个变量的读操作；
• （4）线程启动规则：Thread的start()方法先行发生于此线程内的每一个操作（可以理解为逻辑先后顺序，只有调用了start()，线程内的代码才会开始执行）；
• （5）线程终止规则：线程中的所有操作都先于对此线程的终止检测（可以理解为逻辑先后顺序）；
• （6）线程中断规则：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（可以理解为逻辑先后顺序：先调用interrupt()之后，要被中断的线程才会检查到中断事件发生）；
• （7）对象终结规则：对象的初始化完成先于它的finalize()开始执行（可以理解为逻辑先后顺序）；
• （8）传递性：操作A先行发生于B操作，B操作先行发生于C操作，那么可以推导出：操作A先行发生于操作C。

4.JVM如何实现线程

实现线程有三种方式：

• （1）凭借内存线程实现：轻量级进程：内核线程=1:1；
• （2）凭借用户线程实现：进程：用户线程=1:N；
• （3）凭借用户线程+轻量级混合进程实现：用户线程：轻量级进程=N:M。
  具体采用哪种线程模型，是由操作系统支持怎么样的线程模型决定的，比如：Windows和Linux操作系统提供的线程模型是一对一的，所以在这两个平台上的实现是一对一的线程模型。

5.线程的状态管理

• （1）新建（New）：创建后尚未启动；
• （2）就绪（Ready）：已经具备可运行的条件，但尚未分配CPU时间片或某些资源，导致尚未运行；
• （3）运行（Runnable）：正在执行；
• （4）无期限等待（Waitng）：这种状态的线程不会被分配CPU时间，要等待其他线程显式地唤醒；比如以下调用会产生这种状态：
  • 没有设置Timeout参数的Object.wait();
  • 没有设置Timeout的Thread.join();
  • LockSupport.park();
• （5）期限等待（Timed Wating）：
  • Thread.sleep();
  • 设置了Timeout参数的Object.wait()；
  • 设置了Timeout参数的Thread.join();
  • LockSupport.parkNanos();
  • LockSupport.parkUnit()
• （6）阻塞（Bocked）:阻塞状态是指在等待获取到一个排它锁，这个
• （7）结束（Terminated）: 程序执行结束。