java内存模型与线程

Posted 2021-07-08 鱼翔空

12.1 概述

程序大量的时间花费在磁盘I/O、网络通信或者数据库访问上；

衡量一个服务性能的高低好坏，每秒事务处理数（Transactions Per Second TPS）是重要的指标之一。

12.2 硬件的效率与一致性

由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有着几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层或多层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲。

将运算需要的数据复制到缓存，运算结束后再从缓存同步回内存之中。

处理器可能会对输入代码进行乱序执行优化，处理器保证结果与顺序执行的结果一致，但不包装程序中各语句计算的先后顺序与输入代码的顺序一致。

12.3 java内存模型

jdk5 发布后，java内存模型才成熟和完善起来。

12.3.1 主内存与工作内存

java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。

java内存模型规定：

• 所有的变量都存储在主内存中；

• 每条线程都有自己的工作内存，并且线程的工作内存中保存了使用的变量的主内存副本；

• 线程对变量的操作必须在工作内存中进行；

• 不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量；

12.3.2 内存间交互操作

• lock（锁定）：作用于主内存变量，把一个变量标识为一条线程独占；

• unlock(解锁)：作用于主内存变量，把处于锁定状态的变量释放，释放后才可以被其他线程访问；

• read(读取)：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存读取到线程的工作内存；

• load(载入)：作用于工作内存变量，把read操作的变量值放入工作内存的变量副本中；

• use（使用）：作用于工作内存变量，把工作内存中的一个变量的值传给执行引擎，当虚拟遇到使用变量的值的字节码指令时执行该操作；

• asign（赋值）：作用于工作内存变量，把执行引擎接收的值赋给工作内存的变量；

• store(存储)：作用于工作内存变量，把工作内存中的变量值传送给主内存；

• write(写入)：作用于工作内存变量，把store操作得到的值写入组内存的变量中；

12.3.3 对于volatile型变量的特殊规则

volatile可以说是虚拟机提供的最轻量级的同步机制（只能保证可见性和指令重排序）。

定义成volatile的变量：

• 保证此变量对所有线程的可见性，这里的可见是一条线程改值，新值对于其他变量可知。

• volatile变量禁止指令重排序（保证变量赋值操作顺序和代码中的执行顺序一样）

volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性的问题，但是java里面的运算操作并非原子封装；

为了保证原子性性，我们需要加锁来保证；

12.3.4 针对long和double型变量的特殊规则

long和double都是64位的数据类型，占用运行时常量池中的两个变量槽。

如果多个线程共享一个long或double变量，在x8架构下32位的虚拟机中某些线程会读取半个变量。

从JDK9起，增加-XX:AlwaysAtomicAccesses 来约束虚拟机对所有的数据类型进行原子性的访问。

12.3.5 原子性、可见性和有序性

一、原子性（Atomicity）：

java内存模型来保证原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这6个。

synchronized 关键字通过隐式的字节码指令monitorenter 和monitorexit来保证原子性。

二、可见性（Visibility）:

当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。

java中实现可见性有：

• volatile

• synchronized 对变量进行unlock之前，必须先把变量同步回主内存中

• final 被final修饰的字段一旦被初始化完成，

三、有序性（Ordering）

线程内都是有序

线程外所有的操作都是无序（指令重排序）

java中实现有序性的有：

• volatile

• synchronized

12.3.6 先行发生原则（Happens-Before）

指的是：java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系,它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用的手段；

java内存模型中天然的先行发生关系，无需任何手段保障就能先行发生

• 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序；

• 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）:同一个锁，unlock先行发生与后面的lock操作（废话，锁不释放，哪来的锁操作？）；

• volatile变量规则（Vollatile Variable Rule）:对一个volatile变量的写操作先行发生于后面的读操作；

• 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（废话）；

• 线程终止规则（Thread Termination Rule）:线程中的所有操作都先行于此线程的终止检测；

• 线程中断规则（Thread Interruption Rule）:对线程的interrupt()方法的调用先行与被中断线程的代码检测到的中断事件发生（废话，没有interrupt(),从哪能检测到中断事件）

• 对象终结规则（Finalizer Rule）：对象的初始化动作先行于他的finalize()方法（废话，不初始化哪来的finalize()）

• 传递性（Transitivity）：A先行于B，B先行于C，那A一定行于C（废话）

事件先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系（指令重排序，多线程操作）；

12.4 java与线程

12.4.1 线程的实现

线程Threadstart()方法底层所有的关键方法都被声明为native，一个native方法意味着必须使用平台底层实现；

实现线程有三种方式：

一、内核线程实现 1:1 实现

内核线程（Kernel-Level Thread KLT） 是直接由操作系统内核（Kernel）支持的线程，由内核通过调度器对线程进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上；

程序一般不会直接操作内核线程，而是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。

轻量级进程的局限性：

• 基于内核线程实现，所有操作都需要内核调度，应用系统调用的代价较高，需要在用户态（User Mode）和内核态(kernel Mode)来回切换；

• 每个轻量级进程和内核线程1V1映射，内核线程数量有限；

二、用户线程实现1:N实现（User Thread UT）

广义：只要不是内核线程，都可以认为是用户线程，轻量级进程也属于用户线程；

狭义：建立在用户空间线程库上，系统内核不能感知用户线程的存在及如何实现；

优势：

• 所有操作都在用户态完成，不需要内核的帮助；

• 操作快且消耗低

• 支持更大的线程数量

劣势：

所有的操作以及调度必须用户线程去处理，也就是底层必须实现对应的处理。

以高并发为卖点的编程语言支持用户线程，如：Golang、Erlang

三、混合实现

用户线程与轻量级进程的数量比是不定的，是N:M的关系。

四、java线程的实现

从JDK1.3起，商用java虚拟机的线程模型普遍都被替换为基于操作系统原生线程模型来实现，采用1:1的线程模型。

hotSpot 它的每一个java线程都是直接映射到一个操作系统原生线程来实现，中间没有额外的间接结构，hotSpot不会干涉线程的调度（只会把优先级的建议给操作系统），具体调度（冻结、唤醒，分配处理器执行时间）都由操作系统去操作。

操作系统支持怎样的线程模型，在很大程度上会影响上面的java虚拟机的线程是怎么映射的。

12.4.2 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。

两种方式：

• 协同式（Cooperative Threads-Scheduling）线程调度；线程的执行由线程本身控制；实现简单、操作过程对线程可知，执行时间不可控，容易阻塞，不稳定

• 抢占式（Preemptive Thread-Scheduling）线程调度；线程的执行由系统来分配（java使用这种）；执行时间可控，可通过设置线程优先级建议操作系统多分配时间

12.4.3 状态转换

java语言定义了6种线程状态，在任意一个时间点，线程有且只有一种状态。

• 新建（New）: 创建后尚未启动

• 运行（Runnable）：包括操作系统中的Running和Ready,可能正在执行，也可能等待操作系统分配执行时间。

• 无限等待（Waiting）:这时线程不会被分配执行时间，需要等待其他线程的显式唤醒

• 限期等待（Timed Waiting）:处于这种状态的线程不会被分配执行时间，在一定时间由系统自动唤醒;

• 阻塞（Blocked）：阻塞是在等待一个排它锁，等别的线程释放，获取到锁就能执行。不需要唤醒；

• 结束（Terminated）：已终止线程状态，线程已结束执行；

无限等待（Waiting）创建的方法：

• 没有设置TimeOut参数的Object::wait()方法；

• 没有设置TimeOut参数的Thread::join()方法

• LockSuppport::park()方法

期限等待（Timed Waiting）创建的方法

• 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：

• LockSupppor::parkUntil()方法；

线程转换关系图如下：

如果觉得对你有帮助，请关注公众号：5ycode，后续会不断更新哦