Java的内存模型与线程

读书笔记

Java内存模型

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。此处的变量（variable）与java编程中所说的变量略有区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不存在竞争问题。
java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程还有自己的工作内存，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的变量，线程间变量的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图：

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8种操作来完成：

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存变量，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）：作用于主内存变量，把一个变量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，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用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指令时执行这个操作。
• store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，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assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
• 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。即就是对一个变量实施use和store操作之前，不许先执行过了assign和load操作。
• 一个变量在同一时刻只允许一条线成对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现。
• 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操作锁定，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的变量。
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把次变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

volatile关键字

当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性：

• 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；
• 禁止指令重排序优化。

三个特征

Java内存模型是围绕在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的：

• 原子性：即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。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。
• 可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。Java提供了volatile关键字来保证可见性。
• 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。

先行发生关系

一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”，一个操作“先行发生”也无法推导出这个操作必定是“时间上的先发生”，即：时间先后顺序与线性发生原则之间基本没有太大的关系。
Java中有8个天然的先行发生关系：

• 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。
• 管程锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作。
• volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
• 传递性：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C。
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作。
• 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。
• 线程终止规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行。
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始。

线程的实现

实现线程主要有几种方式：

• 使用一个内核线程（轻量级进程）来代理。
• 完全在用户态实现，内核都感觉不到。
• 用户和内核混合实现，各自做自己擅长的事情。

Sun JDK中，在windows和linux中都是使用的一对一的线程模型实现的，一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中。
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和抢占式线程调度。协同式的特点是线程的执行时间由线程本身控制，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一个线程上。坏处是线程执行时间不可控制。而对于抢占式而言，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，这也是Java使用的调用方式。
对于线程优先级，在一些平台上(操作系统线程优先级比Java线程优先级少)不同的优先级实际会变得相同；优先级可能会被系统自行改变。
Java语言定义了5种线程状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且只有其中一种状态：
1. 新建状态（New）：新创建了一个线程对象。
2. 就绪状态（Runnable）：线程对象创建后，其他线程调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，变得可运行，等待获取CPU的使用权。
3. 运行状态（Running）：就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。
4. 死亡状态（Dead）：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。
5. 阻塞状态（Blocked）：阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：

• 等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，JVM会把该线程放入等待池中。
• 同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池中。
• 其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。

线程在一定条件下，状态会发生变化。线程变化的状态转换图如下：

线程安全的实现

线程安全

线程安全的定义：当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的。
按照线程安全的“安全程度”由强至弱来排序，我们可以将Java语言中各种操作共享的数据分为以下5类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。

1. 不可变
   不可变的对象一定是线程安全的。保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种，其中最简单的就是把对象中带有状态的变量都声明为final。Java API中符合不可变要求的类型：String，java.lang.Number的部分子类（如Long和Double的数值包装类，BigInteger和BigDecimal等大数据类型但AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变的）。
2. 绝对线程安全
   Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对线程安全的。
3. 相对线程安全
   Java语言中，大部分的线程安全都属于这种类型，例如Vector，HashTable，Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合等。
4. 线程兼容
   指通过使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全的使用。Java API中大部分的类都是属于线程兼容的，如ArrayList和HashMap。
5. 线程对立
   指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。一个线程对立的例子就是Thread类的suspend()和resumn()方法（已被JDK声明废弃了）。常见的线程对立操作还有System.setIn(), System.setOut(), System.runFinalizersOnExit()等。

线程安全的实现方法有互斥同步、非阻塞同步、无同步方案。

1. 互斥同步
   Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字。还可以使用java.util.concurrent包中的ReentrantLock(重入锁)来实现同步。
2. 非阻塞同步
   从处理问题的方式上说，互斥同步属于一种悲观的并发策略。随着硬件指令集的发展，我们可以采用基于冲突检查的乐观并发策略，通俗地说，就是先行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了；如果共享数据有争用，产生了冲突，那就再采取其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重试，直到成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现偶读不需要把线程挂起，因此这话总同步操作称为非阻塞同步。
3. 无同步方案
   如果一个方法本来就不设计共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的。这类代码包括：可重入代码和线程本地存储。

锁优化

1. 自旋锁与自适应自旋
   为了让线程等待，我们只需要让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。引入自旋锁的原因是互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，管钱线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，给并发带来很大压力。自旋锁让物理机器有一个以上的处理器的时候，能让两个或以上的线程同时并行执行。
2. 锁消除
   消除锁是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。
3. 锁粗化
   如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，则可以进行锁粗化的优化。
4. 轻量级锁
   它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
   但是如果存在锁竞争，除了互斥量的开销，还发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。
5. 偏向锁
   如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用了CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉了，连CAS操作都不做了。