Java内存模型与线程

每秒事务处理数（Transactions Per Second，TPS）、

Java语言和虚拟机提供了许多工具，把并发编程的门槛降低了不少。另外，各种中间件服务器、各类框架

12.2 硬件的效率与一致性

现代计算机系统都不得不加入一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：

为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（IllinoisProtocol）、MOSI、Synapse、Firefly及Dragon Protocol，等等

为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化。

12.3 Java内存模型

用来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。

12.3.1 主内存与工作内存

此处的变量包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的[插图]，不会被共享

为了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互，也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权利

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该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。不同的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内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图12-2所示

java线程–工作内存–save和load操作–主内存

主内存主要对应于Java堆中对象的实例数据部分[插图]，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，主内存就是硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，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中。

12.3.2 内存间交互操作

八种操作来完成：

□ lock（锁定）：作用于主内存的变量，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，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输到线程的工作内存中，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，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。

□ 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操作使用。

□ 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。

read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现的顺序是read a、read b、load b、load a。

Java内存模型还规定了在执行上述八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出现。

□ 不允许一个线程丢弃它的最近的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地（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，换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前，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，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sotre和write操作）。

12.3.3 对于volatile型变量的特殊规则

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之后，它将具备两种特性，第一是保证此变量对所有线程的可见性，这里说的时一个变量的改变；

volatile变量在各个线程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一致性问题），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，setter方法对value的修改不依赖value的原值

不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类）来保证原子性。□ 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保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。

使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢上一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障（Memory Barrier或MemoryFence）指令[插图]来保证处理器不发生乱序执行。

12.3.4 对于long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store和write这八个操作都具有原子性，允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，

但允许虚拟机选择把这些操作实现为具有原子性的操作

12.3.5 原子性、可见性与有序性

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这六个，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的

如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，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映到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）：可见性就是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。volatile，synchronized和final

同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行sotre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，那么在其他线程中就能看见final字段的值。

有序性（Ordering）：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。

volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性。volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“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。

12.3.6 先行发生原则

是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的主要依据

先行发生是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先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

内存模型下一些“天然的”先行发生关系：

□ 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。(可能后一句先被处理器执行)

□ 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而“后面”是指时间上的先后顺序。

□ volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：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，这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序。

□ 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。

□ 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生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。

□ 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：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，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。

□ 对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。

□ 传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

12.4 Java与线程

并发：线程，进程

12.4.1 线程的实现

线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，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程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度（线程是CPU调度的最基本单位）。

java.lang.Thread：所有关键方法都被声明为Native。

在Java API中一个Native方法可能就意味着这个方法没有使用或无法使用平台无关的手段来实现（当然也可能是为了执行效率而使用Native方法，不过通常最高效率的手段也就是平台相关的手段）。

实现线程主要有三种方式：使用内核线程实现，使用用户线程实现，使用用户线程加轻量级进程混合实现。

1.使用内核线程实现

内核线程（Kernel Thread，KLT）就是直接由操作系统内核（Kernel，下称内核）支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操纵调度器（Scheduler）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。每个内核线程都可以看做是内核的一个分身，这样操作系统就有能力同时处理多件事情，支持多线程的内核就叫多线程内核（Multi-ThreadsKernel）。

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。轻量级进程与内核线程之间1∶1的关系称为一对一的线程模型。

轻量级进程具有它的局限性：首先，由于是基于内核线程实现的，所以各种进程操作，如创建、析构及同步，都需要进行系统调用。而系统调用的代价相对较高，需要在用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换。其次，每个轻量级进程都需要有一个内核线程的支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。

2.使用用户线程实现

狭义上的用户线程：完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到线程存在的实现。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要切换到内核态。进程与用户线程之间1∶N的关系称为一对多的线程模型。

阻塞如何处理”、“多处理器系统中如何将线程映射到其他处理器上”这类问题解决起来将会异常困难，甚至不可能完成。不支持多线程的操作系统中（如DOS）的多线程程序与少数有特殊需求的程序外，Java、Ruby等语言都曾经使用过用户线程，最终又都放弃了使用它。

3.混合实现

既具有用户线程的廉价和并发，而操作系统提供支持的轻量级进程则作为用户线程和内核线程之间的桥梁，这样可以使用内核提供的线程调度功能及处理器映射，并且用户线程的系统调用要通过轻量级线程来完成，大大降低了进程被阻塞的风险。

许多Unix系列的操作系统，如Solaris、HP-UX等都提供了M∶N的线程模型实现。

4.Java线程的实现

在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，在很大程度上就决定了Java虚拟机的线程是怎样映射的。

对于Sun JDK来说，它的Windows版与Linux版都是使用一对一的线程模型来实现的，一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中

在Solaris平台中，由于操作系统的线程特性可以同时支持一对一（通过Bound Threads或Alternate Libthread实现）及多对多（通过LWP/Thread Based Synchronization实现）的线程模型，因此在Solaris版的JDK中也对应提供了两个平台专有的虚拟机参数：-XX:+UseLWPSynchronization（默认值）和-XX:+UseBoundThreads来明确指定虚拟机使用的是哪种线程模型。

12.4.2 Java线程调度

指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要调度方式有两种，分别是协同式（Cooperative Threads-Scheduling）线程调度和抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度。

协同式调度的多线程系统：

线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完了之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上去。Lua语言中的“协同例程”就是这类实现。Windows 3.x系统

优点：没有线程同步，缺点，会发生一直堵塞；

抢占式调度的多线程系统：

每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定（在Java中，Thread.yield()可以让出执行时间，但是要获取执行时间的话，线程本身是没有什么办法的），Windows 9x/NT内核

不会有一个线程导致整个进程阻塞的问题，Java使用的线程调度方式就是抢占式调度。

java线程通过设置线程优先级来为某些线程多分配时间。有10个级别的线程优先级（Thread.MIN_PRIORITY至Thread.MAX_PRIORITY），在两个线程同时处于Ready状态时，优先级越高的线程越容易被系统选择执行。

如Solaris中有2147483648（2的31次方）种优先级，但Windows中就只有7种，比Java线程优先级多的系统还好说，中间留下一点空位就是了，但比Java线程优先级少的系统，就不得不出现几个优先级相同的情况了；

表12-1显示了Java线程优先级与Windows线程优先级之间的对应关系

在Windows系统中存在一个名为“优先级推进器”的功能（Priority Boosting，当然它可以被关闭掉），它的大致作用就是当系统发现一个线程被执行得特别“勤奋努力”的话，可能会越过线程优先级去为它分配执行时间。因此我们不能在程序中通过优先级来完全准确地判断一组状态都为Ready的线程将会先执行哪一个。