12 java内存模型与线程

12.1 硬件的效率与一致性

1. 缓存一致性
   在多处理器的系统中，每个处理器有自己的高速缓存，而他们有共享同一主存，当多个处理器的运算任务都涉及到同一主内存区域时，将可能导致各自缓存的数据不一致
2. 缓存一致性协议
   为了解决缓存一致性的问题，处理器访问内存是需要遵循一些协议，读写时要根据一些协议来操着，这类协议有MSI、MESI等
3. 乱序执行优化 和 指令 重排序优化
   处理器并不一定会按照代码的顺序来执行，而可能会对输入的代码进行乱序执行优化，在计算结束之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的。java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排优化。

12.2 Java 内存模型

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

12.2.1 变量

此处的变量包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量和方法参数，因为这二者是线程私有的，不会被共享

12.2.2 java内存模型

java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（此处的主内存仅是虚拟机内存的一部分），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，不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程之间值的传递需要借助主内存来完成

12.2.3 内存间的交互操作

1. lock(锁定) 作用于主内存的变量，他把一个变量标志位一个线程独占的状态
2. unlocak(解锁) 作用于主内存的变量，他把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能被其他线程锁定
3. read(读取) 作用于主内存的变量，他把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存，一遍随后的load动作作用
4. load(载入) 作用于工作内存的变量，他把read操作从主内存得到变量放入工作内存的副本之中
5. use(使用) 作用于工作内存的变量，他把工作内存中的一个变量值传递个执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量值的字节码指令时执行这个操作
6. aggign(赋值) ： 作用于工作内存的变量，他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
7. store(存储) ： 作用于工作内存的变量，它把工作内存中的一个变量值传递到主内存中，以便随后的write操作使用
8. write(写入) ：作用于主内存的变量，他把store操作的从主内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

   read和load、store和write操作要按顺序执行，但不一定要按连续的顺序执行

12.2.4 8种基本操作需要满足的要求

1. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
2. 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变后必须把该变化同步到主内存中
3. 不允许一个线程无原因的（没有发生过任何assign操作）把数据线程工作内存同步到主内存中
4. 一个新的变量只在主内存中产生，不允许在工作内存中直接使用未被初始化的变量。也就是说对一个变量实施Use和store操作之前必须执行了assign和load操作
5. 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但Lock操作可以被同一条线程执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock的操作变量才会被解锁
6. 如果对一个变量执行lock操作，那么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
7. 如果一个变量事先没有被lock锁定，那就不允许对他执行unlock操作，也不允许去Unloack一个被其他线程锁定住的变量
8. 对一个变量执行unlock之前，必须把此变量同步会主内存中(执行store 和 write操作)

12.3 对于volatite型变量的特殊规则

关键字volatite是Java虚拟机提供的最亲量级的同步机制，当一个变量被定义为volatite后他具有两种特性

12.3.1 第一种特性—-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，新值对于其他线程是立即可知。而普通变量是做不到这一点的，普通变量的值在线程之间传递是需要通过主内存来完成。
volatite在各个线程的工作内存中也可能存在不一致的情况，但由于每次在使用之前都要刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以可以认为不存在一致性问题，但是java中的操作并非都是原子操作，导致volatite变量在并发运算的情况下也是不安全的
由于volatite变量只能保证可见性，所以在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍需要通过加锁来保证原子性
1. 运算结果并不依赖当前的值，或者能够保证只有单一线程修改当前变量的值
2. 变量不需要和其他的状态变量共同参与不变约束。

12.3.2 第二种特性—禁止指令重排优化

普通的变量仅仅会保证在该方法执行的时候所有依赖赋值结果的地方都能或得到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致，因为在一个线程的方法执行的过程中无法感知到这一点，这也就是java内存管理中的描述的“线程内表现为串行的语义”

12.3.3 java 内存模型对volatite 的特殊规则

定义T 代表一个线程，V和W分别代表volatite类型的两个变量

1. 只有当T对V执行的前一个动作是load的时候，T才能对变量执行use操作；并且T对变量V执行的最后一个动作是use是，线程T才能对变量执行Load操作。线程对于变量V的use操作可以认为是线程T对变量V的load和read动作的关联，必须连续一起出现（这条要求是在工作内存中，每次使用V之前都要从内存中刷新最新的值，用以保证看见其他线程对变量V所做的修改的值）。简言之在使用volatite 类型变量时都要从内存中加载新值
2. 只有当T对变量V执行的前一个动作是assign的时候，线程T才能对变量执行store操作；并且只有当线程T对变量执行的最后一个动作是store的时候，线程T才能对变量V执行assign动作。这条保证每次修改V的值后就必须立刻同步到主内存中
3. volatite变量不会被指令重排优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同

12.4 原子性、可见性和有序性

java的内存模型是围绕着在并发过程中怎么处理原子性、可见性和有序性这三个特这来建立的

1. 原子性
   保证原子性变量的操作有：read、load、store、write、assign、use
   在synchronized块中保证原子性
2. 可见性
   可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他变量能够立即得知这个修改
   可以实行可见性的关键字
   synchronized : 在对一个对象执行unlock时必须把该变量同步到主内存中去
   final : final 关键字的可见性是指在被关键字final修饰的字段在构造器中一旦完成初始化，并且构造器还没有把this 的引用传递出去，那么其他线程就可以看见final字段的值
   volatite : 见volatite的详解
3. 有序性
   java 的有序性可以总结为一句话：如果在本线程中观察，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。前半句是指“线程内表现为串行的语言”，后半句是指“指令重排”和“工作内存和主内存同步延迟”现象
   java中保证线程之间操作有序性的关键字：
   volatite : 本身就包含禁止指令重排序的语义
   synchronized : 一个变量在同一时刻只能有一条线程对其执行Lock操作

12.5 先行发生原则

先行发生原则是判断数据之间是否存在竞争、线程是否安全的主要依据
先行发生：先行发生时java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。如果说操作A先行发生于操作B，其实是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改内存中共享变量的值、发送了消息或调用了方法

12.5.1 java内存模型中一些天然的先行发生关系

1. 程序次序顺序
   在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作无条件发生于在后面的操作。准确的说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支结构
2. 管程锁定规则
   一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁
3. volatite 变量规则
   对一个volatite变量的写操作先行发生于后面对这个变量的写操作
4. 线程启动规则
   Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个操作
5. 线程终止规则
   线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join（）方法结束、Thread.isAlive()等手段来判断线程是否终止
6. 线程中断原则
   线程的interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生
7. 对象终结规则
   一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于他的finalize（）方法
8. 传递性
   如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，则A先行发生于C

一个操作“时间上先发生”不代表这个操作先行发生，由于“指令重排”的存在，一个操作先行发生并不一定代表时间上先发生

12.6 Java和线程

12.6.1实现线程主要由三种方式 ：

• KLT : 内核线程
• LWP：轻量级进程
• UT ：用户进程

1. 使用内核线程实现
内核线程就是由操作系统内核支持的线程。每一个内核线程可以看成内核的一个分身。程序一般不会直接去使用内核线程而是使用内核线程的一种高级接口–轻量级进程。轻量级进程就是我们所说的线程。这种轻量级进程与内核线程是1:1的关系

2.使用用户线程实现
从广义上讲一个线程不是内核线程就可以认为是用户线程，而狭义上的用户线程是指完全建立在用户空间的线程库上
系统内核不能感知线程存在的实现，这种进程与用户线程是1:N的关系

3. 使用用户线程和轻量级进程混合实现N:M

12.6.2 java线程实现

java线程在JDK1.2之前，是基于“绿色线程”的用户线程实现，而在JDK1.2中，线程模型替换为基于操作系统原生线程模型来实现，在Window 和 linux 中是一条线程就映射到一条轻量级进程中

12.6.3 java 线程调度

线程调度是指系统为线程分配处理器的使用过程，主要的调度方式有两种 ：
1. 协同式线程调度 ：线程执行的时间是由线程自身控制的，线程在把自己的工作执行完成后，要主动通知系统切换到另一个线程上。协同式多线程好处是实现简单，坏处是线程不可控，如果一个线程出现问题，程序会一直阻塞
2. 抢占式调度 ： 每个线程将由系统分配执行时间，线程的切换不由线程本身决定，线程的执行时间是系统可控

java的线程调度是由系统决定的

12.7 状态切换