内存模型

Posted 2020-10-08 wheleetcode

1 Java程序最初通过解释器进行解释执行，当虚拟机发现某个方法或代码块的执行特别频繁时，就把这些代码认定为热点代码，为了提高执行效率，在执行时虚拟机把这些代码编译成本地平台相关机器码，热点代码。

2 Java内存模型主要定义程序中各个变量的访问规则，即将虚拟机中将变量存储到内存和从内存取出变量这样的底层细节，变量主要包括实例字段，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。

3 关于主内存与工作内存之间如何交互，Java内存模型定义了8种原子操作。

1lock 主内存变量，标识一个变量线程独占  2 unlock 主 把一个处于锁定状态变量释放， 3 read 主 把变量从主内存传到工作内存，以便load   4 load 工作内存，把read操作从主内存中得到的变量放入工作内存变量副本中， 5 use 工作内存 把工作内存变量传给执行引擎， 6 assign 工作内存

把执行引擎接收到的值赋给工作内存变量。7 store 工作 把工作内存变量传到主内存，以便write   8 write 主 把store操作得到的变量放入主内存。

4 volatile变量规则

两种特性 1 变量对所有线程的可见性，是通过使用变量时从主内存刷新得到。运算结果不依赖当前值，不需要同其他变量参与不变约束

 2 禁止指令重排序，在编译后的语言中有汇编代码lock  相当内存屏障，重排序时不能把后面指令重排到前面，使本CPU的cache写入内存，

 内存访问规则 1 使用变量T前必须连续use load  read ，以便使用变量前从主内存刷新值，看到其他线程对变量的修改

2 在对变量赋值后要assign  store write 一起，每次修改后必须同步到内存中，用于保证其他线程可以看到自己对变量的修改。

3 A是线程T对变量v的use或assign动作，F是和A关联的load或store动作，P是和F关联的read或write  类似的B是线程T对变量w的use或assign动作，G是和B关联的load或store动作，Q是和G关联的read或write,如果A先于B，那么P先于Q，保证volatile变量不会被重排序

5 内存模型是围绕并发过程中如何处理原子性，可见性，和有序性3个特征来建立的。

原子性：  6 个原子操作，monitorenter monitorexit 字节码反映代码synchronized同步块，

可见性：一个线程修改了共享变量的值，其他线程立即可见，volatile新值能立即同步到主内存，每次使用从主内存刷新，synchronized 同步块，变量执行unlock前，必须同步到主内存， final 在构造器初始化完成，其他线程立即见到final值。

有序性，本线程观察有序，其他线程无序， 线程内表现串行，后指令重排，工作内存和主内存同步延迟。一个变量在同一时刻只能一个线程

lock。

 6 先行发生原则， Java内存模型定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作a先行发生于操作b，也就是说在发生b前，操作a产生的影响能被b观察到。

    Java语言天生先序规则，1 程序次序规则，在一个线程内，写在前面操作先行于写在后面操作 2 锁管理，一个unlock先行于后面对同一个锁的lock， 3 volatile变量规则，对一个volatile变量写操作，先行与后面对这个变量读操作，4 线程启动 thread对象start方法先行于线程的每个动作 5 线程终止 线程所有操作先行发生于对线程终止检测 6线程中断 对线程interrupt（）方法调用，先行发生于被中断线程代码检测到中断事件发生。7 对象终结 一个对象初始化完成先行发生于finalize方法开始 8 传递 a 先 b， b先c ， a先 b

7 Java线程的实现

     1 使用内核线程   - 轻量级进程-   基于内核实现，线程创建，析构，同步需要进行系统调用，代价高，在用户态和内核态切换，消耗 内核资源，支持的线程有限

     2用户线程实现，完全建立在用户空间的线程库上，系统不能感知线程存在，不需切换到内核态。比较复制。

    3 用户线程加轻量级进程 用户线程完全建立在用户空间上，用户线程创建，切换，析构廉价，大规模，使用内核线程的调度功能及处理器映射，用户线程系统调用要通过轻量级进程完成。

8 线程调度

    指系统为线程分配处理器使用劝的过程，协作式和抢占式。

9 线程安全等级把共享数据分为5类

   1 不可变：不可变对象一定线程安全。

   2 绝对线程安全：不管运行环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施，调用对象的行为都能获得正确结果。

 3 相对线程安全：对对象的单次操作是线程安全的，在调用的时候不需要额外的措施。 vertor

 4 线程兼容 对象本身不是线程安全，但可以在调用端正确使用同步手段保证线程安全。 arraylist

5 线程对立 无论在调用端是否采取同步无法在多线程环境并发使用代码。

实现同步方法

1 synchronized 经编译后，会在同步块前后形成monitorenter和monitorexit字节码指令，

ReentrantLock特性 1 等待可中断：持有锁的线程不放锁时，等待线程可以放弃等待，处理其他事情，对处理非常长的同步块有帮助

2 公平所：3 绑定多个条件：一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，一个锁可以和多个条件关联。

阻塞同步：悲观并发策略，认为只有不去做正确的同步措施，肯定会出问题，无论共享数据是否会出现竞争，都要加锁

冲突检测：乐观：先进行操作，如果没有线程争共享数据，操作成功，如果共享数据有争用，产生了冲突，采用其他补偿措施。

锁优化：

自旋锁：往往线程持有锁的时间不是很长，可以让后面请求锁的线程等待一下，但不放弃处理器执行时间

自适应自旋： 自旋时间不固定，由前一个在同一个锁上的自旋时间及锁拥有状态决定，如果在同一个锁上，自旋刚刚成功，虚拟机认为本次自旋也可能再次成功，进而允许自旋更长时间，

锁消除：虚拟机即时编译器，对一些代码上要求同步，但检测到不可能出现数据共享，进行锁消除。

锁粗化：如果一系列的连续操作对同一个对象反复加锁和解锁，消耗性能，把锁同步范围扩展到操作序列外部

轻量级锁：无竞争的时候消除互斥量

加锁：在代码进入同步块的时候，如果代码没有被锁定（锁标志01），虚拟机在当前线程栈帧建锁记录（lock record）空间，用于存储对象mark word 拷贝，然后虚拟机将用cas操作尝试将对象头mark word更新为指向lock record指针，如果更新成功，mark word标志位00，轻量级锁。否则说明锁对象已经被其他线程抢占，状态10，膨胀为重量级锁，后面等待线程阻塞。

解锁：通过cas把对象当前mark word和线程中复制的替换过来，如果替换完成，同步完成，替换失败，有其他线程尝试获取锁，释放锁的时候。唤醒挂起线程。

偏向锁：无竞争下消除cas  偏向于第一个获取他的线程，如果锁没有被其他线程获取，持有偏向锁的线程永远不要同步。

加锁：锁对象第一次被线程获取时，把对象头标志为01， 偏向锁，cas把线程id记录在markword中，如果cas成功，持有偏向锁的线程每次将纳入同步块，不再进行任何同步，当另一个线程尝试获取锁的时候，偏向锁结束。