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JVM相关

内存模型

• 在多核系统中，处理器一般有一层或者多层的缓存，这些缓存通过加速数据访问（因为数据距离处理器更近）和降低共享内存在总线上的通讯（因为本地缓存能够满足许多内存操作）来提高CPU性能。
• 在处理器层面上，内存模型定义了一个充要条件，“让当前的处理器可以看到其他处理器写入到内存的数据”以及“其他处理器可以看到当前处理器写入到内存的数据”。有些处理器有很强的内存模型(strong memory model)，能够让所有的处理器在任何时候任何指定的内存地址上都可以看到完全相同的值。而另外一些处理器则有较弱的内存模型（weaker memory model），在这种处理器中，必须使用内存屏障（一种特殊的指令）来刷新本地处理器缓存并使本地处理器缓存无效，目的是为了让当前处理器能够看到其他处理器的写操作或者让其他处理器能看到当前处理器的写操作。这些内存屏障通常在lock和unlock操作的时候完成。
• “一个线程的写操作对其他线程可见”这个问题是因为编译器对代码进行重排序导致的。例如，只要代码移动不会改变程序的语义，当编译器认为程序中移动一个写操作到后面会更有效的时候，编译器就会对代码进行移动。如果编译器推迟执行一个操作，其他线程可能在这个操作执行完之前都不会看到该操作的结果，这反映了缓存的影响。
• Java包含了几个语言级别的关键字，包括：volatile, final以及synchronized，目的是为了帮助程序员向编译器描述一个程序的并发需求。Java内存模型定义了volatile和synchronized的行为，更重要的是保证了同步的java程序在所有的处理器架构下面都能正确的运行。

重排序的意义

访问一个程序变量（对象实例字段，类静态字段和数组元素）可能会使用不同的顺序执行，而不是程序语义所指定的顺序执行。编译器能够自由的以优化的名义去改变指令顺序。在特定的环境下，处理器可能会次序颠倒的执行指令。数据可能在寄存器，处理器缓冲区和主内存中以不同的次序移动，而不是按照程序指定的顺序。

没有正确同步的含义

一个有数据竞争的程序就是一个没有正确同步的程序。

final字段是如何工作的

• 一个对象的final字段值是在它的构造方法里面设置的。假设对象被正确的构造了，一旦对象被构造，在构造方法里面设置给final字段的的值在没有同步的情况下对所有其他的线程都会可见。另外，引用这些final字段的对象或数组都将会看到final字段的最新值。
• 对一个对象来说，被正确的构造是什么意思呢？简单来说，它意味着这个正在构造的对象的引用在构造期间没有被允许逸出。（参见安全构造技术）。换句话说，不要让其他线程在其他地方能够看见一个构造期间的对象引用。不要指派给一个静态字段，不要作为一个listener注册给其他对象等等。这些操作应该在构造方法之后完成，而不是构造方法中来完成。
• 如果在一个线程构造了一个不可变对象之后（对象仅包含final字段），你希望保证这个对象被其他线程正确的查看，你仍然需要使用同步才行。

volatile的作用

• Volatile字段是用于线程间通讯的特殊字段。每次读volatile字段都会看到其它线程写入该字段的最新值；实际上，程序员之所以要定义volatile字段是因为在某些情况下由于缓存和重排序所看到的陈旧的变量值是不可接受的。编译器和运行时禁止在寄存器里面分配它们。它们还必须保证，在它们写好之后，它们被从缓冲区刷新到主存中，因此，它们立即能够对其他线程可见。相同地，在读取一个volatile字段之前，缓冲区必须失效，因为值是存在于主存中而不是本地处理器缓冲区。在重排序访问volatile变量的时候还有其他的限制。
• 在新的内存模型下，volatile变量仍然不能彼此重排序。和旧模型不同的时候，volatile周围的普通字段的也不再能够随便的重排序了。写入一个volatile字段和释放监视器有相同的内存影响，而且读取volatile字段和获取监视器也有相同的内存影响。事实上，因为新的内存模型在重排序volatile字段访问上面和其他字段（volatile或者非volatile）访问上面有了更严格的约束。当线程A写入一个volatile字段f的时候，如果线程B读取f的话 ，那么对线程A可见的任何东西都变得对线程B可见了。

双重锁检查模式的问题

• 许多人认为使用volatile关键字能够消除双重锁检查模式的问题。在1.5的JVM之前，volatile并不能保证这段代码能够正常工作（因环境而定）。在新的内存模型下，实例字段使用volatile可以解决双重锁检查的问题，因为在构造线程来初始化一些东西和读取线程返回它的值之间有happens-before关系。
• 双重锁检查的重点是为了避免过度使用同步导致性能问题。从java1.0开始，不仅同步会有昂贵的性能开销，而且在新的内存模型下，使用volatile的性能开销也有所上升，几乎达到了和同步一样的性能开销。因此，使用双重锁检查来实现单例模式仍然不是一个好的选择。应该使用Holder的方式

并发编程模型的分类

• 并发编程需要处理的两个关键问题：线程之间如何通信及线程之间如何同步
• 在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。
• 在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信。在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。
• 同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的。
• Java的并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。

Java内存模型的抽象

• 在java中，所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享（本文使用“共享变量”这个术语代指实例域，静态域和数组元素）。局部变量（Local variables），方法定义参数（java语言规范称之为formal method parameters）和异常处理器参数（exception handler parameters）不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。
• 线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存存储了该线程用于读写的共享变量的副本，线程间的通信就可以抽象成从A线程的本地内存更新共享变量到主内存，线程B从主内存中取得那个更新后的共享变量到本地内存

重排序

• 三种类型
  
  • 编译器优化的重排序，在不改变单线程程序语义的前提下进行
  • 指令级并行的重排序，将多条指令重叠执行
  • 内存系统的重排序
• 都会导致多线程程序出现内存可见性问题

数据依赖性

• 如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时这两个操作之间就存在数据依赖性。
• 有三种类型：写写，读写，写读

as-if-serial语义

不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（单线程）程序的执行结果不能被改变。编译器，runtime 和处理器都必须遵守as-if-serial语义。

重排序对多线程的影响

当代码中存在控制依赖性时，会影响指令序列执行的并行度。为此，编译器和处理器会采用猜测（Speculation）执行来克服控制相关性对并行度的影响。以处理器的猜测执行为例，执行线程B的处理器可以提前读取并计算a*a，然后把计算结果临时保存到一个名为重排序缓冲（reorder buffer ROB）的硬件缓存中。当接下来操作3的条件判断为真时，就把该计算结果写入变量i中。

数据竞争与顺序一致性保证

如果程序是正确同步的，程序的执行将具有顺序一致性（sequentially consistent）–即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（这对于程序员来说是一个极强的保证）。这里的同步是指广义上的同步，包括对常用同步原语（lock，volatile和final）的正确使用。

顺序一致性内存模型

• 这是一个被计算机科学家理想化了的理论参考模型，它为程序员提供了极强的内存可见性保证。
• 两大特性：
  
  • 一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行。
  • （不管程序是否同步）所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序。在顺序一致性内存模型中，每个操作都必须原子执行且立刻对所有线程可见。

未同步程序的执行特性

• JMM不保证单线程内的操作会按程序的顺序执行
• JMM不保证所有线程能看到一致的操作执行顺序
• JMM不保证对64位的long型和double型变量的读/写操作具有原子性

volatile变量具有的特性

• 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。

volatile写-读建立的happens before关系

从内存语义的角度来说，volatile与监视器锁有相同的效果：volatile写和监视器的释放有相同的内存语义；volatile读与监视器的获取有相同的内存语义。

volatile写-读到内存语义

• 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（注意是所有共享变量，不是一个volatile变量）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。
• 总结如下：
  
  • 线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了（其对共享变量所在修改的）消息。
  • 线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的）消息。
  • 线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。
• 该语义的实现是通过在每个读写操作的前后插入内存屏障
• 由于volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而监视器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。在功能上，监视器锁比volatile更强大；在可伸缩性和执行性能上，volatile更有优势。

锁的释放-获取

• 锁是java并发编程中最重要的同步机制。锁除了让临界区互斥执行外，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送消息。
• 锁的释放-获取的内存语义和volatile写-读到内存语义相同

对于final域，编译器和处理器要遵循的两个重排序规则

• 在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序
• 初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。
• 在构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入，与随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。（这是对于引用类型增加的约束）

写final域的重排序规则

• 写final域的重排序规则可以确保：在对象引用为任意线程可见之前，对象的final域已经被正确初始化过了，而普通域不具有这个保障。（为什么平时使用的时候没有出现这种问题？即，非final域都正确初始化了）
• 读final域的重排序规则可以确保：在读一个对象的final域之前，一定会先读包含这个final域的对象的引用。