深入理解 Java 虚拟机：Java 内存模型与线程

水深无声 2023-02-22 07:45 24阅读 0赞

### 深入理解 Java 虚拟机：Java 内存模型与线程 ###

*  什么是内存模型？
 *  什么是高速缓存？
 *  缓存一致性
 *  Java 内存模型
 *   *  主内存
     *  工作内存
     *  内存间的交互操作
     *  volatile 关键字
     *   *  对所有线程可见性
         *  禁止指令重排序
 *  Java 内存模型的特征
 *   *  原子性
     *  可见性
     *  有序性
     *  synchronized 缺点
 *  先行发生原则
 *   *  “天然的” 先行发生关系
 *  Java 线程状态

# 什么是内存模型？ #

**内存模型：** 可以理解为，在特定的操作协议下，对特点的`内存`或`高速缓存`进行`读写访问`的`过程的抽象`。

# 什么是高速缓存？ #

在运算时，将需要使用到的数据`从内存复制到缓存（Cache）中`，以此`让计算能更快的进行`，计算结束后`再从缓存同步回内存中`，这样就`无需频繁的等待缓慢的内存读写`。

# 缓存一致性 #

**缓存一致性：** 在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3MTQzNjcz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# Java 内存模型 #

## 主内存 ##

主内存是虚拟机内存的一部分。

Java 内存模型规定所的变量都存储在主内存中。

**变量数据：** 最根源的数据，线程不能直接操作。

## 工作内存 ##

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`，不能直接读写主内存中的数据。`不同线程间也无法直接访问对方工作线程中的变量`。

**变量数据：** 从主内存中拷贝来的副本，其他线程无法访问，操作结束后需写回主内存。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3MTQzNjcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 内存间的交互操作 ##

虚拟机实现时，必须保证下面提及的每一种操作都是`原子的`、`不可再分的`。

*  **lock（锁定）：** 作用于`主内存`的变量，把变量标记为某个线程独占。
 *  **unlock（解锁）：** 作用于`主内存`的变量，释放一个锁定的变量。
 *  **read（读取）：** 作用于`主内存`的变量，把一个变量的值从`主内存传输到工作内存`中，以便后续 `load` 动作使用。
 *  **load（载入）：** 作用于`工作内存`的变量，将 `read` 过来的值放入`工作内存`的`变量副本`中。
 *  **use（使用）：** 作用于`工作内存`的变量，把 `工作内存` 中存在的一个变量传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值时就会执行这个操作。
 *  **assign（赋值）：** 作用于`工作内存`的变量，把从执行引擎接收到的值，赋值给`工作内存`中的一个变量，当虚拟机遇到赋值操作时候执行操作。
 *  **store（存储）：** 作用于`工作内存`的变量，把`工作内存`中的一个变量传递给主内存，一遍后续 `write` 动作使用。
 *  **write（写入）：** 作用于`主内存`的变量，把 `store` 操作的值放入主内存的变量中。

**将变量从主内存复制到工作内存：** 顺序执行 `read` 和 `load`，只需按顺序即可，中间可插入其他指令。

**从工作内存写回主内存：** 顺序执行 `sore` 和 `write`，只需按顺序即可，中间可插入其他指令。

## volatile 关键字 ##

### 对所有线程可见性 ###

**特性：** `保证此变量对所有线程的可见性`，当一条线程修改了这个变量值，其他线程会立即收到通知。

**volatile 关键字保证线程可见，不代表线程安全：**  
以下为 `race ++` 的反编译结果  
![在这里插入图片描述][20200703135314593.png]  
`volatile 关键字` 保证了线程可见性，因此只要去读数据，就可以拿到正确的数据

而这里的读操作，只有 `getstatic` 字节码指令，将数据读入`栈顶（每个线程各自拥有，对外部可见）`

而后续的不管是递增 `iadd` 还是回写回主内存 `putstatic` 指令之前都没有再去读数据

因此如果`这期间如果数据发生了变更`，在`栈顶的数据就成了旧数据`，`回写回主内存就会产生覆盖`，`线程不安全`。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3MTQzNjcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 禁止指令重排序 ###

普通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`。

这么做的目的是一种机器级的优化操作，使得某个部分的`汇编代码被提前执行`。

`volatile` 可以避免这种的优化操作。

**内存屏障：**  
`volatile` 是通过 `内存屏障` 来防止指令重排序的，反编译后即下图红色框框中的部分。

**作用：** 防止 `内存屏障` 后面的指令排序到 `内存屏障` 之前。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3MTQzNjcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# Java 内存模型的特征 #

Java 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 ##

直接 `保证原子性的操作` 包括：`read`、`load`、`assign`、`use`、`store`、`write`

基本数据类型的访问读写都是具备原子性的  
例外的只有 `long` 和 `double`，具有非原子协定，但是各大虚拟机实现时，都把他们的读写操作作为原子操作来对待，因此知道下就好了，不需要太在意。

为了保证原子性，虚拟机提供字节码 `monitorenter` 和 `monitorexit` 来操作 `lock` 和 `unlock`，反应到代码层面就是 `synchronized` 关键字，因此 `synchronized` 块的操作也具有原子性。

## 可见性 ##

**可见性：** 可见性是指，当一个线程修改了共享变量的值，其他变量能立即得知这个修改。

**保证可见性的关键字：** `volatile`、`synchronized`、`final`。

## 有序性 ##

**有序性：** 如果在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无需的。前半句是指 “线程内表现为串行的语义”，后半句是指 “指令重排序” 现象和 “工作内存和主内存同步延迟” 现象。

**防止指令重排序关键字：** `volatile`、`synchronized`。

## synchronized 缺点 ##

`synchronized` 同时满足 3 大特性，看起来十分 “万能”，但过度滥用回导致性能问题。

# 先行发生原则 #

即多线程同时操作一个变量导致值不正确的线程不安全问题。

## “天然的” 先行发生关系 ##

即不需要同步器，在代码中能直接使用

*  **程序次序规则：** 在一个线程内，按照程序代码的顺序，写在前面的代码比写在后面的代码先执行。
 *  **管程锁定规则：** 同一个锁，一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。不解锁就没法再锁定。
 *  **volatile 变量规则：** 对一个 `volatile` 变量的写操作优先于后面这个变量的读操作，“后面” 是指时间上的先后顺序。
 *  **线程启动规则：** Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每个动作。不启动线程，其他动作无法进行。
 *  **线程终止规则：** 线程中所有操作都优先于此线程的终止检查，可通过 `Thread.join() 方法结束` 、`Thread.isAlive() 返回值` 等手段检查到线程已经终止执行。
 *  **线程中断规则：** 对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检查到终端事件的发生，可通过 `Thread.interrupt()` 方法检查到是否有中断发生。
 *  **对象终结规则：** 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() 方法的发送
 *  **传递性：** 操作 A 优先于操作 B，操作 B 优先于操作 C，操作 A 就必然优先于 操作 C

# Java 线程状态 #

1.  **新建（New）：** 创建后 `尚未启动` 的线程状态
2.  **运行（Runable）：** 包含了操作系统线程状态中的 `Runable` 和 `Ready` 状态，处于此状态下的线程可能处于 `正在执行` 或者 `等待 CPU 分配执行事件`。
3.  **无期限等待（Waiting）：** 此状态的线程 `不会被分配执行事件`，需要 `等待被其他线程唤醒`。以下方法会让线程进入 `Waiting`。  
    没有设置 `Timeout` 参数的 `Object.wait()` 方法。  
    没有设置 `Timeout` 参数的 `Object.join()` 方法。  
    `LockSupport.park()` 方法。
4.  **限期等待（Time Waiting）：** 此状态下线程`不会被分配 CPU 执行时间，不过无需其他线程显式的唤醒，在一定时间后由系统自动唤醒`。以下方法会让线程进入 `Time Waiting`。  
    `Thread.sleep()`。  
    设置 `Timeout` 参数的 `Object.wait()` 方法。  
    设置 `Timeout` 参数的 `Object.join()` 方法。  
    `LockSupport.parkNanos()` 方法。  
    `LockSupport.parkUnit()` 方法。
5.  **阻塞（Blocked）：** `“阻塞状态”` 在等待获取一个 `排他锁`，需要 `另一个线程放弃这个锁的时候发生`。
6.  **结束（Terminated）：** `已终止` 线程的状态，现在已经 `结束执行`。

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