想要学好Java并发，你得打好这些基础

Java并发是Java知识体系中非常核心的一块，也比较难。要想学好这一块，你首先得夯实如下几部分的基础。

1.JMM

Java虚拟机规范中定义了Java内存模型（Java Memory Model，JMM），用于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并发效果，JMM规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的：规定了一个线程如何和何时可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量。JMM描述的是一种抽象的概念，一组规则，通过这组规则控制程序中各个变量在共享数据区域和私有数据区域的访问方式，JMM是围绕原子性、有序性、可见性展开的。

2.并发三大特性

其次我们要搞清楚并发三大特性。

2.1 可见性

当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够看到修改的值。Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方法来实现可见性的。

JMM的内存可见性保证

按程序类型，Java程序的内存可见性保证可以分为下列3类：

• 单线程程序。单线程程序不会出现内存可见性问题。编译器、runtime和处理器会共同确保单线程程序的执行结果与该程序在顺序一致性模型中的执行结果相同。
• 正确同步的多线程程序。正确同步的多线程程序的执行将具有顺序一致性（程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同）。这是JMM关注的重点，JMM通过限制编译器和处理器的重排序来为程序员提供内存可见性保证。
• 未同步/未正确同步的多线程程序。JMM为它们提供了最小安全性保障：线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值未同步程序在JMM中的执行时，整体上是无序的，其执行结果无法预知。 JMM不保证未同步程序的执行结果与该程序在顺序一致性模型中的执行结果一致。

2.2 有序性

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。JVM 存在指令重排，所以存在有序性问题。

Java语言规范规定JVM线程内部维持顺序化语义。即只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码顺序不一致，此过程叫指令的重排序。

指令重排序的意义：JVM能根据处理器特性（CPU多级缓存系统、多核处理器等）适当的对机器指令进行重排序，使机器指令能更符合CPU的执行特性，最大限度的发挥机器性能。

在编译器与CPU处理器中都能执行指令重排优化操作：

JMM通过内存屏障实现对有序性的保障

JVM层面的内存屏障，在JSR规范中定义了4种内存屏障：

• LoadLoad屏障：（指令Load1; LoadLoad; Load2），在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• LoadStore屏障：（指令Load1; LoadStore; Store2），在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreStore屏障：（指令Store1; StoreStore; Store2），在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
• StoreLoad屏障：（指令Store1; StoreLoad; Load2），在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

由于x86只有store load可能会重排序，所以只有JSR的StoreLoad屏障对应它的mfence或lock前缀指令，其他屏障对应空操作

硬件层内存屏障

硬件层提供了一系列的内存屏障 memory barrier / memory fence(Intel的提法)来提供一致性的能力。拿X86平台来说，有几种主要的内存屏障：

• 1）lfence，是一种Load Barrier 读屏障
• 2）sfence, 是一种Store Barrier 写屏障
• 3）mfence, 是一种全能型的屏障，具备lfence和sfence的能力
• 4）Lock前缀，Lock不是一种内存屏障，但是它能完成类似内存屏障的功能。Lock会对CPU总线和高速缓存加锁，可以理解为CPU指令级的一种锁。它后面可以跟ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG等指令。

内存屏障有两个能力：

• 1）阻止屏障两边的指令重排序
• 2）刷新处理器缓存/冲刷处理器缓存

对Load Barrier来说，在读指令前插入读屏障，可以让高速缓存中的数据失效，重新从主内存加载数据；对Store Barrier来说，在写指令之后插入写屏障，能让写入缓存的最新数据写回到主内存。

Lock前缀实现了类似的能力，它先对总线和缓存加锁，然后执行后面的指令，最后释放锁后会把高速缓存中的数据刷新回主内存。在Lock锁住总线的时候，其他CPU的读写请求都会被阻塞，直到锁释放。

不同硬件实现内存屏障的方式不同，Java内存模型屏蔽了这种底层硬件平台的差异，由JVM来为不同的平台生成相应的机器码。

如何保证有序性

• 通过 volatile 关键字保证可见性。
• 通过 内存屏障保证可见性。
• 通过 synchronized关键字保证有序性。
• 通过 Lock保证有序性。

2.3 原子性

一个或多个操作，要么全部执行且在执行过程中不被任何因素打断，要么全部不执行。在 Java 中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作（64位处理器）。不采取任何的原子性保障措施的自增操作并不是原子性的。

如何保证原子性

• 通过 synchronized 关键字保证原子性。
• 通过 Lock保证原子性。
• 通过 CAS保证原子性。

2.4 volatile内存语义

• 可见性：对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
• 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性（基于这点，我们通过会认为volatile不具备原子性）。volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁的互斥执行的特性可以确保对整个临界区代码的执行具有原子性。
  64位的long型和double型变量，只要它是volatile变量，对该变量的读/写就具有原子性。
• 有序性：对volatile修饰的变量的读写操作前后加上各种特定的内存屏障来禁止指令重排序来保障有序性。
  在JSR-133之前的旧Java内存模型中，虽然不允许volatile变量之间重排序，但旧的Java内存模型允许volatile变量与普通变量重排序。为了提供一种比锁更轻量级的线程之间通信的机制，JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序，确保volatile的写-读和锁的释放-获取具有相同的内存语义。

volatile写-读的内存语义：

• 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
• 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，线程接下来将从主内存中读取共享变量。

volatile可见性实现原理：

• 通过lock前缀指令，会锁定变量缓存行区域并写回主内存，这个操作称为“缓存锁定”，缓存一致性机制会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据。一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。

2.5 缓存一致性协议

一致性协议在多处理器系统中应用于高速缓存一致性。为了保持一致性，人们设计了各种模型和协议，如MSI、MESI(又名Illinois)、MOSI、MOESI、MERSI、MESIF、write-once、Synapse、Berkeley、Firefly和Dragon协议。

这里主要介绍MESI协议。MESI协议是一个基于写失效的缓存一致性协议，是支持回写（write-back）缓存的最常用协议。

当特定数据被多个缓存共享时，处理器修改了共享数据的值，更改必须传播到所有其他具有该数据副本的缓存中。这种更改传播可以防止系统违反缓存一致性。数据变更的通知可以通过总线窥探来完成。所有的窥探者都在监视总线上的每一个事务。如果一个修改共享缓存块的事务出现在总线上，所有的窥探者都会检查他们的缓存是否有共享块的相同副本。如果缓存中有共享块的副本，则相应的窥探者执行一个动作以确保缓存一致性。这个动作可以是刷新缓存块或使缓存块失效。它还涉及到缓存块状态的改变。

MESI缓存行有4种不同的状态:

• 已修改Modified (M)
  缓存行是脏的（dirty），与主存的值不同。如果别的CPU内核要读主存这块数据，该缓存行必须回写到主存，状态变为共享(S).
• 独占Exclusive (E)
  缓存行只在当前缓存中，但是干净的--缓存数据同于主存数据。当别的缓存读取它时，状态变为共享；当前写数据时，变为已修改状态。
• 共享Shared (S)
  缓存行也存在于其它缓存中且是未修改的。缓存行可以在任意时刻抛弃。
• 无效Invalid (I)
  缓存行是无效的

3.Java线程

3.1 操作系统层面线程生命周期

操作系统层面的线程生命周期基本上可以用下图这个“五态模型”来描述。这五态分别是：初始状态、可运行状态、运行状态、休眠状态和终止状态。

3.2 Java线程

有两类线程：

• 内核级线程（Kernel Level Thread ，KLT）：它们是依赖于内核的，即无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤消、切换都由内核实现。
• 用户级线程（User Level Thread，ULT）：操作系统内核不知道应用线程的存在。

Java线程属于内核级线程。
JDK1.2——基于操作系统原生线程模型来实现。Sun JDK,它的Windows版本和Linux版本都使用一对一的线程模型实现，一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中。

Java线程的生命周期共有六种状态，分别是：

• NEW（初始化状态）
• RUNNABLE（可运行状态+运行状态）
• BLOCKED（阻塞状态）
• WAITING（无时限等待）
• TIMED_WAITING（有时限等待）
• TERMINATED（终止状态）

在操作系统层面，Java 线程中的 BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING 是一种状态，即前面我们提到的休眠状态。也就是说只要 Java 线程处于这三种状态之一，那么这个线程就永远没有 CPU 的使用权。