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存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。
  • 变量（Variables）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，自然就不会存在竞争问题。
• Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）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中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
  
  图1 线程、 主内存、 工作内存三者的交互关系

内存间交互操作

Java内存模型中定义了以下8种操作来完成主内存与工作内存之间具体的交互协议，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、 不可再分的

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它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，它把一个变量的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，它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，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。

Java内存模型还规定了在执行上述8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，即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回写了但主内存不接受的情况出现。
• 不允许一个线程丢弃它的最近的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地（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操作之前，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其进行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，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、 write操作）。

对于volatile型变量的特殊规则

当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性

• 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。 而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成
  • volatile变量只能保证可见性，在不符合以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的线程修改变量的值。
    • 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
  • 指令重排序是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理。
  • 有volatile修饰的变量，赋值后（mov%eax，0x150（%esi））多执行了一个“lock addl ＄0x0，（%esp）”操作，这个操作相当于一个内存屏障（Memory Barrier或Memory Fence，指重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置），只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；但如果有两个或更多CPU访问同一块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性
    • lock前缀的作用：使得本CPU的Cache写入了内存，该写入动作也会引起别的CPU或者别的内核无效化（Invalidate）其Cache
• volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。
• 在工作内存中，每次使用V（被volatile修饰的变量）前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V所做的修改后的值

对于long和double型变量的特殊规则

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位的操作来进行，但允许虚拟机选择把这些操作实现为具有原子性的操作
在实际开发中，目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此我们在编写代码时一般不需要把用到的long和double变量专门声明为volatile。

原子性、 可见性与有序性

原子性（Atomicity）：由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数据类型的访问（double和long是例外）读写是具备原子性的

• synchronized块之间的操作也具备原子性。

可见性（Visibility）：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。

• volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，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，即synchronized和final。
  • 同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）”
  • 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（Ordering）：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。

• Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

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

• 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。 准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、 循环等结构。
• 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：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，而“后面”是指时间上的先后顺序。
• volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序。
• 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start（）方法先行发生于此线程的每一个动作。
• 线程终止规则（Thread Termination Rule）：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（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
• 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：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，可以通过Thread.interrupted（）方法检测到是否有中断发生。
• 对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize（）方法的开始。
• 传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

Java与线程

线程的实现

实现线程主要有3种方式：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。

• 1.使用内核线程实现
  内核线程（Kernel-Level Thread,KLT）就是直接由操作系统内核（Kernel，下称内核）支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操纵调度器（Scheduler）对线程进行调度，并负责将线程的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（MultiThreads Kernel）。
  • 程序一般不会直接去使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（Light Weight Process,LWP），轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程，由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。 这种轻量级进程与内核线程之间1:1的关系称为一对一的线程模型
    
    图2 轻量级进程与内核线程之间1:1的关系
  • 轻量级进程要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。
• 2.使用用户线程实现
  一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程（User Thread,UT）
  
  图3 进程与用户线程之间1：N的关系

• 3.使用用户线程加轻量级进程混合实现

  
  
  图4 用户线程与轻量级进程之间N：M的关系
• 4.Java线程的实现
  线程模型替换为基于操作系统原生线程模型来实现

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（Cooperative Threads-Scheduling）和抢占式线程调度（Preemptive ThreadsScheduling）。

• 协同式线程调度：线程的执行时间由线程本身来控制，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外一个线程上。
• 抢占式线程调度：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

状态转换

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的一种状态

• 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态。
• 运行（Runable）：Runable包括了操作系统线程状态中的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为它分配执行时间。
• 无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被其他线程显式地唤醒。 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（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被分配CPU执行时间，不过无须等待被其他线程显式地唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。 以下方法会让线程进入限期等待状态：
  • Thread.sleep（）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（Blocked）： 在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。“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他锁，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”则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。
• 结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。
  
  图5 线程状态转换关系