jvm-java内存模型与线程

水深无声 2021-12-04 00:39 492阅读 0赞

为了提升计算机的效能，内存分为主内存和高速缓存，主内存线程共享，高速缓存线程独立。这样会带来另外的问题，缓存一致性问题。  
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**主内存与工作内存**  
Java内存模型主要目标：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。此处的变量（Variable）与Java编程中的变量略有区别，它包括实例变量/静态字段和构成数组对象的元素，不包括局部变量和方法参数（线程私有）。为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寄存器或缓存来和主内存进行交换，也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权利。

Java内存模型规定所有变量都存储在主存（Main Memory）中（虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory），**线程的工作内存保存了被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存来完成。**

**这里的主内存/工作内存与Java内存区域中的Java栈/堆/方法区并不是同一个层次的内存划分**。如果两者一定要勉强对应起来，那从变量/主内存/工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中对象的实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低的层次来说，主存就是硬件的内存，而为获取更好的运算速度，虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存。  
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**内存间交互操作**  
主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、从工作内存同步回主内存之类的实现细节，**Java内存模型中定义了以下8种操作来完成：**  
**Lock（锁定）**：作用于主内存的变量，将主内存该变量标记成当前线程私有的，其他线程无法访问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，把一个处于锁定状态的变量释放出来，才能被其他线程锁定。  
**Read（读取）**：作用于主内存的变量，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（加载）**：作用于工作内存中的变量，把read操作从内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。  
**Use（使用）**：作用于工作内存中的变量，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。  
**Assgin（赋值）**：作用于工作内存中的变量，把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，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）**：作用于工作内存中的变量，把工作内存中一个变量的值传递到主内存中，以便随后的write操作使用。  
**Write（写入）**：作用于主内存中的变量，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。

如果把一个变量从主内存复制到工作内存，按顺序执行read和load操作；如果把变量从工作内存同步回主内存，按顺序执行store和write操作。Java内存模型还规定在执行上述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。  
不允许一个线程丢弃它的最近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，就是对一个变量执行use和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，僵尸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，则不允许对它执行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和write操作）。

对于volatile型变量的特殊规则  
关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。  
当一个变量被定义成volatile后，它将具备两种特性：  
**第一是保证对所有线程的可见性，“可见性”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。**

关于volatile变量的可见性的误解：“volatile变量对所有线程立即可见的，对volatile变量所有的写操作都能立刻反映到其他线程中，换句话说，volatile变量在各个线程中是一致的，所以基于volatile变量的运算在并发下是安全的”。这句话的论据部分并没有错，但是其论据并不能得出“基于volatile变量的运算在并发下是安全的”这个结论。  
volatile变量在各个线程中的工作内存中不存在一致性问题（在**各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在不一致问题**），但是Java里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

原子性、可见性和有序性  
**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具备原子性（long和double例外）。

如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反应到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

**可见性**（Visibility）：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。

除了volatile，Java还有两个关键字能实现可见性，synchronized和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存中（执行store和write操作）”这条规则获得的，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被初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么其他线程中就能看见final字段的值。  
**有序性**（Ordering）：Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：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外一个线程，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”（Within-Thread As-if-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

**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。主要调度方式两种：  
**使用协同调度的多线程系统**，线程执行时间由线程本身控制，线程把自己的工作执行完后，要主动通知系统切换到另外一个线程上去。优点：实现简单。缺点：执行时间不可控制。  
**使用抢占调用的多线程系统，每个线程由系统分配执行时间，线程的切换不由线程本身决定。Java使用的就是这种线程调度方式。**

状态转换  
Java语言定义了6种进程状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且只有其中一种状态：

**新建（New）**：创建尚未启动的线程处于这种状态。  
**运行（Runable）**：包括操作系统线程状态中的Running和Ready，处于此状态的线程可能正在运行，也可能等待着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**（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示地唤醒，在一定时间后由系统自动唤醒。以下方法会让线程陷入限期的等待状态：  
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）**：线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是：“阻塞状态”在等待获取一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；“等待状态”则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序进入等待进入同步块区域的时候，线程将进入这种状态。

**结束（Terminated）**：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。  
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