2.[深入理解JVM笔记]Java内存模型与线程

1.Java内存模型

Java内存模型用来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现在各种平台下都能达到一致的并发效果。

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。

Java内存模型规定：

所有的变量都存储在主内存中；

每个线程有自己的工作内存，线程的工作内存保存被线程使用到变量的主内存副本拷贝；

线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存的变量；

不同线程之间不能直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递通过主内存来完成。

内存间交互操作

Java内存模型定义了八种操作：

lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一个线程独占的状态；

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送到线程中的工作内存，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；

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值给工作内存中的变量；

store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作；

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写入主内存的变量中。

操作时规则

不允许read和load、store和write操作之一单独出现；

说明：如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那要顺序执行read和load操作；如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序执行store和write操作。Java内存模型要求上述连个操作必须按顺序执行，但不必须连续执行。

不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，变量在工作内存中改变了之后必须把变化同步回主内存；

不允许一个线程无原因地把数据从线程的工作内存同步回主内存；

一个新变量之能在主内存诞生，不允许在工作内存直接使用一个为被初始化（load或assign）的变量，即在对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行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，变量才被解锁；

如果对一个变量执行lock操作，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，则不允许对他执行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。

volatile

关键字volatile是JVM提供最轻量级的同步机制。

当一个变量被定义成volatile后，它具有两个特性：

第一，volatile变量对所有线程是立即可见的，对于volatile变量所有的写操作都能立刻反应到其他线程之中；但volatile变量只能保证可见性，不能保证在并发下是安全的。

第二，禁止指令重排序优化。

Java模型特性

原子性：J read、load、assign、use、store和write保证原子性变量操作；lock和unlock通过synchronized语法来加锁，在synchronized块之间的操作也具有原子性；

可见性：volatile、synchronized和final实现变量修改值在其他线程可见；synchronized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“这条规则获得的；final可见性是”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，那么在其他线程就能看到final字段的值。“

有序性：Java语言提供volatiel和synchronized两个关键字来保证线程之间的有序性；volatile本身禁止指令重排序；synchronized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。

2.Java与线程

线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进度资源，由可以独立调度。

Java线程实现

Java在Windows与Linux上都是使用一对一的县城模型来实现，一个Java线程就映射到一条轻量级进程之中。

Java线程调度

线程调度指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要调度方式分为：协同式和抢占式。Java使用的线程调度方式是抢占式调度。

协同式，线程的执行时间由线程本身来控制，线程执行完之后主动通知系统切换到另一个线程，它的坏处是线程执行时间不可控制。如果一个线程迟迟不让出CPU执行时间会导致整个系统崩溃。

抢占式，每个线程由系统来分配执行时间，线程的切换由操作系统决定。

状态装换

Java定义了5种线程状态，在任意一个时间点，一个县城智能有且只有有其中的一种状态，即：

新建（New）：创建后尚未启动的线程；

运行（Runable）：包括了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执行，也可能正在等待CPU为它分配执行时间；

无限期等待（Waiting）：该状态的线程不会被分配CPU执行时间，他们要等待其他线程显式唤醒。以下方式可以让线程陷入Waiting状态：

1.没有设置Timeout参数的Object.wat()方法；

2.没有设置Timeout参数的Thread.join()方法；

3.LockSupport.park()方法。

限制等待（Timed Waiting）：该状态的线程也不会被分配CPU执行时间，不过无须等待其他线程显示唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方式可以让线程陷入Timed Waiting状态：

1.Thread.sleep()方法；

2.设置了Timeout参数的Ojbect.wait()方法；

3.设置了Timeout参数的Thread.join()方法；

4.LockSupport.parkNanos()方法；

5.LockSupport.parkUntil()方法。

阻塞（Blocked）：线程被阻塞。在程序等待进入同步区域时，线程进入这种状态。

结束（Terminated）：终止线程的状态。

关联：整理了一些Java软件工程师的基础知识点

参考书籍：《深入理解Java虚拟机》