Java内存模型（JMM）

为什么要有Java内存模型

不同的操作系统和硬件有不同的对内存的访问策略，而Java是跨平台语言，必须保证Java程序在不同环境下对内存的访问规则一致。为此，JVM协会设计了一套虚拟机规范，用于屏蔽不同系统不同硬件之间的内存访问差异，不同平台的JVM需要实现这套规范，以确保相同的并发代码在不同的平台有相同的表现。

主内存与工作内存

• 主内存和工作内存的最大的区别在于主内存所有线程可见，而工作内存则是线程私有。这样的抽象方式屏蔽了硬件和操作系统的实现细节而高度概括了JVM所关注的关键差异
• 主内存和工作内存是对硬件内存的高度抽象，数据JMM定义内容，不严格对应任何真实硬件

内存的交互操作

注意事项：

• read和load、store和write禁止单独出现
• assign过的变量必须同步会主内存
• 未经assign的变量禁止同步至主内存
• 新变量只能在主内存中诞生，工作内存不允许使用未初始化的变量
• 一个变量同一时刻只能由一条线程对其进行lock，但lock可重复执行多次，多次lock后必须执行相同次数的unlock变量才能解锁
• lock一个变量将会清空工作内存中此变量的值，若线程要使用需要重新read和load或者use、assign
• 不能unlock没有被lock的变量，也不能unlock一个被其他线程lock的变量
• unlock一个变量之前，必须先将其同步会主内存

PS：

• 以上变量指静态变量、队中的对象等所有线程可见的所有的共享数据，局部变量等线程安全的变量不在范围内

对于volatile性变量的特殊规则

被volatile修饰的变量的特点

• 可见性：一个线程修改了被volatile修饰的变量，其它线程立即可知
• 有序性：禁止指令重排序优化

Java内存模型对被volatile修饰的变量的特殊规则

• 对于变量V，必须先read&load之后才能使用use，确保确保线程都能从主内存中拿到最新值
• 对于变量V，assign之后必须有store＆write，确保线程对变量的修改能实时同步到主内存
• 如果对变量V的use和assign先于对变量W的use和assign，那么对变量V的read/load和store/write先于对变量W的read/load和store/write，确保了该变量不会被指令重排序优化

其他

可以保障volatile修饰的变量线程安全的场景

• 若运算结果不依赖变量的当前值，或能够全部只有单一线程修改变量的值
• 变量不需要于其他的状态变量共同参与不变约束

volatile的实现bug

jdk1.5之前，被volatile修饰的变量不能保证可见性，后该bug在jdk1.5版本中被修复，也是这个bug导致了双检锁实现的单例模式在1.5之前的版本中不能保证单例

内存屏障

通过加锁一个空操作使缓存失效

对于long和double型变量的特殊规则

以上提到的8个内存交互指令，都是具有原子性的，但对于long和double等64位的数据，jvm允许将没被volatile修饰的long和double变量分成两次32位的操作，也就是JVM规范不保证其原子性，不过目前主流的商用JVM实现都保障了long和double的原子性

原子性、可见性和有序性

原子性

什么是原子性

不可分割的，要么一起成功要么一起失败的操作叫做原子性操作

Java中有哪些操作是原子性的

• read load assign use store write 满足原子性操作，可以认为基本变量的操作都满足（double和long类型JVM规范不强制要求满足，但JVM实现上大多做到了满足）
• synchronized可保证原子性

可见性

什么是可见性

指一个线程可以实时且正确地看到另一个线程对变量地修改

哪些方案解决了可见性问题

• synchronized final volatile 解决了变量可见性问题

有序性

什么是有序性

特指多线程环境下，指令执行有序，不会得到错误地结果

解决方案

• synchronized volatile 解决了有序性问题

先行发生原则

定义

• JVM规范中定义了确保多线程环境下执行的有序性，设计了一系列规则，符合规则的场景是，程序编译运行时将会保证这些定义场景的先后次序。

规则

• 程序次序规则：在一个线程内，写在前面的操作均先行发生于写在后面的操作
• 管程锁定规则：unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
• 对volatile变量的特殊规则：volatile变量的写操作先行发生于对其的读操作
• 线程启动规则：线程的start()方法先行发生于该线程的每一个动作
• 线程终止规则：线程的所有动作都先行发生于对该线程的终止检测，如Thread.join()、Thread.isAlive()
• 线程中断规则：线程的interrupt()方法先行发生于线程代码检测到中断事件发生
• 对象终结规则：一个对象的初始化操作new先行发生于其finalize()
• 传递性：若A先行发生于B，且B先行发生于C，则A先行发生于C

Java与线程

并发和多线程的关系

多线程不等于并发，是并发的实现方案之一，PHP中还有以多进程实现的并发方案。

线程的实现

• 内核线程：由操作系统内核支持的线程，操作系统会提供“轻量级进程”作为高级接口供程序使用。优点是底层提供支持，效率高，缺点是来回在用户态和内核态之间切换的底层操作太消耗硬件资源。一个轻量级进程对应一个内核线程
• 用户线程：广义指除了内核线程以外的线程，狭义指完全建立在用户空间，内核不能感知的线程存在的实现（即完全由框架实现的线程）。一个CPU对应多个用户线程。优点是用户线程完全就在用户态中，不需要切换内核态，更快速且低消耗。缺点是没有内核支持，实现复杂。
• 用户线程与轻量级进程混合：用户线程执行任务，轻量级进程链接内核线程和用户线程。混合实现的方式平衡了两者的优缺点。

Java线程的实现

• 1.2之前完全使用用户线程，1.2使用了内核线程，当前版本实现方式由操作系统决定，仅对并发规模和操作成本有影响，对程序来说感知不到差异

Java线程调度

• 协同式线程调度：由线程控制执行时间，执行完毕需要主动通知系统切换线程
  • 优点：
    • 实现简单
    • 并发问题相对更可控
  • 缺点
    • 不通知的话可能一直阻塞
• 抢占式线程调度
  • 优点
    • 线程执行时间系统可控，不会一直阻塞
• 线程优先级
  • 不强制地软性地控制线程被执行地可能。仅作参考，不是绝对优先

线程状态

graph LR
A[NEW] -->|new| B[RUNABLE]
C -->|IO完成或锁已释放| B
G -->|IO阻塞或没拿到锁| C[BLOCKED]
B -->|得到权限| G[RUNNING]
G -->|yield| B
G -->|结束| D[Dead]
G -->|wait,sleep,join,LockSupport.park| E[WAITING]
G -->|wait,sleep,join,LockSupport.parkNanos,LockSupprt.parkUtil| H[WAITING,TIMED_WAITING]
E -->|notify,notifyAll,LockSupport.unpark| B
H -->|到时限,LockSupport.unpark| B