Java内存模型与线程

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储存到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量与Java编程中所说的变量有所区别，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，自然既不会存在竞争问题。为了获得较好的执行效能，java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定处理器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

Java内存模型规定所有的变量都储存在主内存中。每条线程还有自己的工作内存，线程工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本拷贝，线程对变量所有的操作都必须在工作内存中进行，而不能直接写主内存中的变量。不同线程之间也无法访问对方工作内存中的变量，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如图。

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内存间的交互工作

关于内存与工作内存之间的具体的交互协议，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内存模型中定义了如下8种操作来完成，虚拟机实现是必须保证线面提及的每一种操作的原子性（对于double,long类型的变量来说，load,store,read和write操作在某些平台上允许有例外）

lock（锁定）：作用于主内存变量，他把一个变量标示为一条线程独占的状态

unlock（解锁）：作用于主内存变量，他把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

read(读取)：作用于主内存的变量，他被一个变量的值从主内存传输到线程的动作内存中，以便以后load动作使用。

load（载入）：作用于工作内存的变量，他把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）：作用于工作内存中，他把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时，会执行这个操作。

assign（赋值）：作用于工作内存的变量，他把一个从执行引擎接受到的值赋给工作内存中的变量，每当一个虚拟机遇到一个给变量复制的字节码指令时执行这个操作。

store(储存)：作用于工作内存的变量，他把工作内存中一个变量的值传送到主内存中。

write(写入)：作用于主内存中的变量，他把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。

在执行上面8中基本规则时，必须满足一下操作：

不允许read和load，store和write操作之一单独出现，既不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起了会写但主内存不接受的情况出现。

不允许一个线程丢弃他的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

不允许一个线程无原因的（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的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，换句话说，就是对一个变量实施use,store之前，必须先执行过了assign和load操作。

一个变量在同一个时刻只允许一条线程对齐进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中次变量的值，在执行引擎使用这个变量在这之前，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，那就不允许对他执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程lock的变量。

对一个变量执行unlock操作之前，必须要把此变量同步回主内存中。

对于volatile型变量的特殊规则

当一个变量定义为volatile之后，他将具备两种特性，第一是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。二普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程见传递需要通过主内存来完成，例如，线程A修改了一个普通变量的值，然后向主内存进行会写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后在从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。

由于volatile只能保证可见性，在不符合一下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类）来保证原子性

运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一线程修改变量值

变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行的过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这一点，这也就是Java内存模型中描述所谓的“线程内表现为串行的语义”

对于long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、user、store、write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double），在模型中特别定义了一条相对宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位操作来执行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性，这点就是所谓的long和double的非原子性协定。

原子性、可见性与有序性

原子性：有Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write，我们大致可以认为基本的数据类型的访问读写是具备原子性的（例外就是long和double的非原子性协定）

可见性：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。上文在讲解volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。java内存模型是通过在变量修改后将新值同不会主内存，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式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是,volatile的特殊规则保证了新值能够立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。

除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，级synchronized和final。同步快的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须报此变量同步回主内存中（执行store、write操作）”这个规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去，那在其他线程中就能看见final字段的值。

有序性：java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在线程内观察，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。前半句是指“线程内表现为串行的语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作与主内存同步延迟”现象。

先行发生原则

先行发生是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，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括了修改了内存中共享变量的值、发送了信息，调用了方法等。

下面是一些Java内存模型中一些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。

时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系。

Java与线程

线程的实现

实现线程主要有3中方式：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。

使用内核线程实现：

内核线程就是直接由操作系统内核支持的线程，这种线程有内核来完成程线程切换，内核通过操作调度器对线程进行调度，并负责对线程任务映射到各个处理器上。每个内核线程可以视为内核的一个分身，这样操作系统就有能力同时处理多件事情，支持多线程的内核就叫做多线程内核。

使用用户线程实现

从广义上来讲，一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程，因此，从这个定义上来讲，轻量级进程也属于用户线程，但轻量级进程的实现始终是建立在内核之上的，许多操作都要进行系统调用，效率会受到限制。

使用用户线程加轻量级进程混合实现

线程除了依赖内核线程实现和完全有用户程序自己实现之外，还有一种将内核线程与用户线程一起使用的实现方式。在这种混合模式实现下，既存在用户线程也存在轻量级进程。用户线程还是完全建立在用户空间中，因此用户线程的创建、切换、析构等操作依然廉价，并且可以支持大规模的用户线程并发。而操作系统提供支持的轻量级进程则作为用户线程和内核线程之间的桥梁，这样可以使用内核提供的线程调度功能及处理器映射，并且用户线程的系统调用要通过轻量级线程来完成，大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。

java线程的实现

Java线程在JDK1.2之前，是基于称为“绿色线程”的用户线程实现的，而在JDk1.2中，线程模型替换为基于操作系统原生线程模型实现。因此，在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，在很大程度上决定了Java虚拟机的线程是怎样映射的，这点在不同的平台上没有办法达成一致，虚拟机规范中也并未限定Java线程需要使用那种线程模型来实现。

Java线程调度

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。

状态转换

Java语言定义了5中线程状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且只有其中一种状态，这5中状态如下：

新建：创建后尚未启动的线程处于这种状态。

运行：Runable包括了操作系统线程中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可能正在执行，也有可能正在等待着CPU为他分配执行时间。

无限期等待：处于这种状态的方法不会被分配CPU时间，他们要等待被其他线程显示地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态：

没有设置Timeout参数的Object.wait()方法。

没有设置Timeout参数的Thread.join()方法

LockSupport.park()方法。

限期等待：处于这种状态的线程也不会被分配CPU执行时间，不过无需等待其他线程显示的唤醒，在一定时间之后他们会有系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态：

Thread.slepp()方法

设置了Timeout参数的Object.wait()方法

设置了Timeout参数的Thread.join（）方法。

LockSupport.parkNanos()方法。

LockSupport.parkUntil()方法。

阻塞：线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是：“阻塞状态”在等待着获取到一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而“等待状态“则是在一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态

结束：已终结的线程的线程的状态，线程已经结束执行。