线程的本质（操作系统与CPU是如何执行线程的）

柔光的暖阳◎ 2022-12-25 13:53 66阅读 0赞

**目录**

[线程撕裂者][Link 1]

[线程可见性 ][Link 2]

[线程:有序性][Link 3]

[指令重排][Link 4]

[DCL写法][DCL]

[如何修正这个问题？volatile][volatile]

[Jvm中不可重排的8种指令 HappensBefore][Jvm_8_HappensBefore]

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线程数应该设置多少?

多核CPU

# 线程撕裂者 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

寄存器:用来保存计算所需要的数据

ALU:计算单元:维护一组寄存器

多线程:一个CPU维护多组寄存器，需要完成线程切换

从CPU到内存之间:工业上最多有三层缓存

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

一颗CPU里包含多个CPU核

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

# **线程可见性 ** #

public static void main(String[] args) {
        boolean running = true;
        Thread t = new Thread(() ->{
            while(true){
                System.out.print("running");
            }
        });
        t.start();
        t.sleep(2);
        running = false;
    }

即使主线程把running设置为了false,但是线程t并不会立马停止，主要是线程可见性的问题，因为running如果读到核1执行，放到L1缓存中，但是核2又是在其自己的缓存中进行，什么时候重新从内存中读取到核1中，又需要指令的触发。

**局部性原理**:空间局部性，时间局部性。

工业上读取一次数据是64个字节，当程序需要读取变量x的时候，会一次读取64个字节（cache line)

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

缓存一致性协议，修改了一个x,通知其他线程读取的这行数据已经失效了

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

abstract class RingBufferePad{
            protected long p1;
            protected long p2;
            protected long p3;
            protected long p4;
            protected long p5;
            protected long p6;
            protected long p7;
     
        }
        RingBufferePad(){
            
        }

volatile:对内存的修改就需要通知所有用到这块内存的线程全都再读取一遍

# **线程:有序性** #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

在什么情况下会输出x  = 0, y = 0(不可能；只有x = b, y = a, a = 1, b = 1,也就是两句执行换了顺序) 但是多次运行之后，会出现x = 0, y = 0的情况，因为指令重排序现象的发生，重排序的目的只是为了提高效率，压榨CPU,比如（指令1实现i++,指令2需要从内存中读取数据，但指令2在指令1前面，可以在指令2执行的过程中同时执行指令1，主要是为了提高效率）

## 指令重排 ##

**什么情况下能发生重排序？**:两条指令换了顺序以后不影响最终一致性。（注意，这个重排序的优化只是针对单线程而存在的）

**线程的as-if-serial**：看上去像是序列化（单线）执行的

多线程会产生你不希望看到的结果。![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

**new**：申请一块内存(占多少字节，就需要申请多大的内存空间)，设置默认值，**创建一个对象不是原子性的**

**invokespecial**:特殊调用，调用构造方法

**astore**:用栈里的t和堆里的对象建立关联

**临界区**；持有这把锁只允许一个线程执行，而且只能单线程执行，如果临界区太大（锁粒度太粗），严重影响效率。

**源码(设计模式，多线程）**

## **DCL写法** ##

//业务逻辑代码省略
     
    if(INSTANCE == null){//先判断
        synchronized(Main.class){//再上锁
            if(INSTANCE == null){//再判断一次
                try{
                    INSTANCE = new Main();
                }
            }
        }
    }

astore和invokespecial发生了交换，t指向一个半初始化的对象。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

## **如何修正这个问题？**volatile ##

synchronized不能保证指令之间的有序性，只是保证线程之间的有序性。synchronized和非synchronized的代码可以同时执行。

**如果用了volatile,为什么第一个检查还需要？**:提高性能，如果没有第一个检查，来了10000个线程，那么这些线程都会加入锁的竞争，大大降低效率，但如果我加了判断的话，只要单例被创建出来了，不会出现竞争的情况。

锁加在方法上锁定的是this对象，但如果加上代码上，锁定的是class对象

**为什么使用volatile可以禁止指令的重排序？**

屏障（fence, barrier):一条特殊指令，不允许上下两条指令换顺序，不同的CPU有不同的屏障指令，JVM也有自己的屏障指令。共4条

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

load:是读；store:写 loadload:表示的是在读读之间加屏障，不可以换顺序。在JVM中，只要不用volatile就不会加屏障，volatile会加屏障。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

## Jvm中不可重排的8种指令 HappensBefore ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]

**volatile的作用:保证可见性和有序性**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzg0MTM2Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]

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[DCL]: https://blog.csdn.net/weixin_37841366/article/details/108857025#DCL%E5%86%99%E6%B3%95
[volatile]: https://blog.csdn.net/weixin_37841366/article/details/108857025#%E5%A6%82%E4%BD%95%E4%BF%AE%E6%AD%A3%E8%BF%99%E4%B8%AA%E9%97%AE%E9%A2%98%EF%BC%9Fvolatile
[Jvm_8_HappensBefore]: https://blog.csdn.net/weixin_37841366/article/details/108857025#Jvm%E4%B8%AD%E4%B8%8D%E5%8F%AF%E9%87%8D%E6%8E%92%E7%9A%848%E7%A7%8D%E6%8C%87%E4%BB%A4%C2%A0HappensBefore
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