java高效并发学习笔记（一）java内存模型

学习JVM+JAVA多线程中，学习的书籍是《深入理解java虚拟机》——周志明

这里记录一些笔记以便日后经常学习回顾。

学习java虚拟机的并发之前，了解了物理计算机中并发的一些处理情况。计算机在处理运算任务的时候加入了高速缓存来调和处理器以及内存之间不同数量级导致的耗时问题：将需要运算的数据复制到缓存中，然后进行高速运算，之后再由缓存同步回内存中。在java虚拟机中，定义了一种java内存模型，可以类比物理计算机的这种处理方式。

主内存与工作内存

java虚拟机的内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，线程对变量的操作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。不同线程不能访问对方的工作内存。

内存之间的交互操作

根据上面所说，线程操作都是在工作内存中，所以就存在主内存和工作内存之间的操作情况，也就是说一个变量怎么才能从主内存中拷贝到工作内存中，而工作内存中的变量在线程操作完之后又是怎么写回主内存的。java内存模型规定了8中操作来完成上述的情况，而且这8中操作都是原子性的。

lock（锁定）：作用于主内存的变量，它将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，它将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，以便之后的load动作使用。

load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read动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动作。

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。

以上8个操作是内存模型规定的基本操作，其中read与load、store与write是成对出现的。

当一个线程对某一变量进行操作时，如果此时有其他线程需要得到该变量的值，那么在上一线程没有将变量同步回主内存中时，此时后一线程所得到的该变量的值就是不确定的，于是就有了volatile。

volatile

volatile是java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，该关键字实现了两个功能：保证被修饰变量对所有线程的可见性；禁止指令重排序优化。

书中有详细的解释，这里就写一些简单的笔记记录吧。

首先对于可见性的理解，volatile的可见性无法保证原子性，在一下两种情况下可以使用：运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够保证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。

对于禁止指令重排序的理解，指令重排序是指CPU可以不按照程序规定的顺序将多条指令分发给相应的电路单元处理。

原子性、可见性、有序性

关于这些特性，需要了解那些操作实现了这3种特性。

原子性：java内存模型的操作保证了原子性。当然lock与unlock提供了更大范围的原子性，反映到java代码中就是同步块——synchronized关键字。

可见性：可见性就是当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立刻得知这个修改。volatile就实现了可见性，当然实现了可见性的还有synchronized和final。synchronized的原理是因为执行unlock之前必须将变量同步回主内存。而final的原理是被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，那么在其他线程中就能看到final字段的值。

有序性：在本线程中，所有的操作都是有序的；在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。而实现有序操作的方法有volatile和synchronized。volatile是由于其禁止指令重排序，synchronized是因为一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作。

先行先发原则

在判断数据是否存在竞争、线程是否安全中，主要依靠了这个原则。

先行先发原则是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B，其实就是说发生操作B之前，操作A产生的影响能被B观察到。比如：

i=1;

j=i;

i=2;

假设线程A中的操作i=1先行发生于线程B中的操作j=i，那么可以确定线程B的操作之后j的值一定等于1。现在加入C线程，依然保持线程A和线程B之间的先行发生关系，而线程C出现在线程A和线程B操作之间，但是线程C与线程B没有先行发生关系，那么j的值是多少呢？答案不确定，可能是1也可能是2，因为线程C的操作对于线程B来说可以被观察到，也可能不会。这种情况便需要保证同步，因为不具备多线程的安全性。（时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大关系，所以在衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。）

java内存模型下有一些先行发生关系，无需任何的同步器协助就可以直接使用。如果两个操作时间关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障。

程序次序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序，写在前面的操作先行发生与写在后面的操作。

管理锁定规则：一个unlock操作先行发生与后面对同一个锁的lock操作。

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动作。

线程终止规则：线程中所有操作都先行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。

线程终端规则：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。

对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始。

volatile变量规则：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。

传递性：A先行发生于B，B先行发生于C，则A先行发生与C。

发布于 2017-08-16

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