Java内存模型与线程

硬件的效率与一致性

TPS（Transactions Per Second）每秒事务处理数是衡量服务器性能好坏的重要指标。

处理器，高速缓存，主存间的相互关系
除了增加高速缓存之外，处理器会对输入的代码进行乱序执行优化，保证结果与顺序执行的结果一致，但不保证执行顺序和代码顺序一致。Java虚拟机的即时编译中也有类似的指令重排序优化。

Java内存模型

Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型来屏蔽各种硬件与操作系统的内存访问差异。在JDK1.5发布后，Java内存模型完善和成熟起来了。

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量（实例字段，静态字段，构成数组对象的元素，不包括局部变量和方法参数）的访问规则。Java内存模型规定所有变量都在主内存中，每条线程有自己的工作内存，该工作内存保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝。

线程，主内存，工作内存三种的交互关系

内存间的交互操作

主内存与工作内存之间的交互协议，即一个变量从主内存拷贝到工作内存，从工作内存同步到主内存的实现细节。
8种操作完成：

• lock（锁定）：变量标识为线程独占状态
• unlock（解锁）：解锁了才可以被其他线程锁定
• read（读取）：把变量从主内存传输到工作内存中
• load（载入）：把变量放入工作内存的变量副本中
• use（使用）：
• assign（赋值）：
• store（存储）：把工作内存变量的值传到主内存中
• write（写入）：把变量的值放到主内存的变量中。

read和load，store和write必选按顺序执行，但是read与load，store与write之间可以插入其他指令，而且不允许read和load，store和write单独出现。

对于volatile型变量的特殊规则

当一个变量定义为volatile之后，它具备两种特性：

1. 保证此变量对所有线程的可见性，即变量值更新后其他线程可立即得知。
   注意：volatile变量在各个线程一致，但是并不是并发安全的。因为Java运算并非原子操作，例如i++语句翻译成字节码是几条指令，一条指令可能转为几条本地机器码指令。所以当多线程下就会存在并发问题。

volatile变量只能保证可见性，不符合下面两条规则的运算中还是需要加锁保证原子性。

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

 volatile  boolean shutdownReq;
    public void shutdown(){
        shutdownReq=true;
    }
    public void doWork(){
        while (!shutdownReq){
            //do something
        }
    }

2. volatile变量语义是禁止指令排序优化
   内存屏障让重排序时不能将后面的指令排序到内存屏障之前。volatile变量的读操作性能与普通变量几乎没区别，但是写操作需要许多内存屏障指令保证处理器不发生乱序排序。

对于long和double型变量的特殊规则

没有被volatile修饰的64位数据类型读写操作可以分成2次32位的操作进行。
不能保证64位数据的load，store，read，write操作原子性。
但是几乎没有虚拟机这样实现。

原子性，可见性，有序性

1. 原子性：Java内存模型直接保证的原子性操作包括read，load，assign，use，store和write。应用场景需要更大范围的原子性保证，提供了lock和unlock满足这种需求，lock和unlock不提供用户使用，但是字节码指令monitorenter和monitorexit间接使用这两个操作。对应的java代码就是synchronize关键字。

2. 可见性：通过主内存作为传递媒介的方式来实现可见性，无论是普通变量和volatile变量。除volatile外，synchronize和final也能实现可见性。

3. 有序性：Java语言提供volatile和synchronize保证线程间操作有序性，volatile关键字本事包含禁止指令重排序，synchronize由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得。

先行发生原则

“天然的”先行发生关系

• 程序次序规则
• 管程锁定规则
• volatile变量规则
• 线程启动规则
• 线程终止规则
• 线程中断规则
• 对象终结规则
• 传递性

 private int value;
    public int getValue() {
        return value;
    }
    public void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }

线程A先调用setValue（1），然后线程B调用同一个对象的getValue（）。结果是什么：
无法确定。这里的操作不是线程安全的。

Java与线程

线程的实现

实现线程的三种方式：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。

Java线程调度

系统为线程分配处理器使用权过程，分为两种方式:

• 协同式线程调度：线程本身控制
• 抢占式线程调度：系统分配，可以建议优先级，但是线程的优先级并不靠谱。取决于操作系统。

状态转换

Java语言定义了6种线程状态

• 新建（New）：创建后未启动线程
• 运行（Runable）：Runable包括操作系统中处于Running和Ready。正在执行，或者在等CPU分配执行时间
• 无限期等待（Waiting）：不会分配CPU时间，等待其他线程显示唤醒,以下方法导致无限期等待：
  1. 没有设置Timeout的Object.wait()
  2. 没有设置Timeout的Thread.join()
  3. LockSupport.park()
• 限期等待（Time Waiting）：不会分配CPU执行时间。在一定时间后会由系统自动唤醒，以下方法：
  1. Thread.sleep()
  2. 设置了Timeout的Object.wait()
  3. 设置了Timeout的Thread.join()
  4. LockSupport.parkNanos()
  5. LockSupport.parkUntil()
• 阻塞（Blocked）：阻塞和等待的区别是，阻塞在等待获取一个排他锁，这个事件将发生在另一个线程放弃这个锁的时候发生。“等待状态”则是在等待一段时间或者唤醒动作的发生。程序进入同步区域时，线程进入这种状态。
• 结束（Terminated）：已终止线程的线程状态。

线程状态转换关系