深入理解JVM：Java内存模型与线程

概述

衡量一个服务性能的高低好坏，每秒事务处理数（Transactions Per Second，TPS）是重要的指标之一，它代表着一秒内服务端平均能响应的请求总数，而TPS值与程序的并发能力又有非常密切的关系。

硬件的效率与一致性

1. 硬件的效率问题：

   处理器至少要与内存交互，如读取运算数据、存储运算结果等，这个I/O操作就是很难消除的（无法仅靠寄存器来完成所有运算任务）。

2. 解决：

   高速缓存（Cache），用来作为内存与处理器之间的缓冲；

3. 导致新的问题：

   缓存一致性（Cache Coherence）：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（Main Memory），多个处理器任务涉及同一主内存区域时，可能导致各自的缓存数据不一致。

4. 解决：

   各个处理器访问缓存时都遵循一些协议：MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly 及 Dragon Protocol等。

• “内存模型”：可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。

  不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型；

硬件的内存模型：

   除了增加高速缓存之外，为了使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，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。

与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有指令重排序（Instruction Reorder）优化。

Java内存模型（Java Memory Model，JMM）

《Java虚拟机规范》中曾试图定义一种“Java内存模型”[2]（Java Memory Model，JMM）来屏蔽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内存访问效果。

主内存与工作内存

1. 主内存（Main Memory）：Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（仅是虚拟机内存的一部分）；
2. 工作内存（Working Memory）：线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本；
   • 每条线程还有自己的工作内存。
   • 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数据。
   • 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：【与前一节物理机内存模型类比】

内存间交互操作

Java 内存模型中定义了以下 8 种操作来完成：

• Java 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。

  （对于 double 和 long 类型的变量来说，load、store、read 和 write 操作在某些平台上允许有例外）

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
6. assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量，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。
7. 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。
8. 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。

• 如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按顺序执行 read 和 load 操作；如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序执行 store 和 write 操作。（必须按顺序执行，但不要求是连续执行）

除此之外，Java 内存模型还规定了在执行上述 8 种基本操作时必须满足如下规则：

1. 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，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
2. 不允许一个线程丢弃它最近的 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。
3. 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。
4. 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、store 操作之前，必须先执行 assign 和 load 操作。
5. 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。
6. 如果对一个变量执行 lock 操作，那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 操作以初始化变量的值。
7. 如果一个变量事先没有被 lock 操作锁定，那就不允许对它执行 unlock 操作，也不允许去 unlock 一个被其他线程锁定的变量。
8. 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 store、write 操作）。

这 8 种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后会介绍的专门针对 volatile 的一些特殊规定，就已经能准确地描述出 Java 程序中哪些内存访问操作在并发下才是安全的。

（以上操作可以简化为 read、write、lock 和 unlock 四种）另一种等效判断原则——“先行发生原则”，亦可用来确定一个操作在并发环境下是否安全的。

对于 volatile 型变量的特殊规则

“volatile可以看作是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，它将具备两项特性：

1. 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的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。”
   • volatile 变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题，但“基于 volatile 变量的运算在并发下仍是线程不安全的”。
   • 由于 volatile 变量只保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，仍需通过加锁（使用 synchronized 或 java.util.concurrent 中的原子类）来保证原子性：
     1. 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。
     2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
2. 禁止指令重排序优化（“有序性”）：操作 volatile 变量的指令，其前后操作指令有序。
   • 相当于一个内存屏障（“Memory Barrier”或“Memory Fence”：重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置）；
   • 应用：利用“volatile”来实现“DCL（Double Check Lock，双锁检测）单例模式”的代码：

     public class Singleton {
     	private volatile static Singleton instance;
     	public static Singleton getInstance() {
     		if (instance == null) {
     			synchronized (Singleton.class) {
     				if (instance == null) {
     					instance = new Singleton();
     				}
     			}
     		}
     		return instance;
     	}
     	public static void main(String[] args) {
     		Singleton.getInstance();
     	}
     }
     

     编译后，这段代码对 instance 变量赋值的部分如代码：

     0x01a3de0f: mov			$0x3375cdb0,%esi 		;...beb0cd75 33
     												; {oop('Singleton')}
     0x01a3de14: mov 		%eax,0x150(%esi) 		;...89865001 0000
     0x01a3de1a: shr 		$0x9,%esi 				;...c1ee09
     0x01a3de1d: movb 		$0x0,0x1104800(%esi) 	;...c6860048 100100
     0x01a3de24: lock addl 	$0x0,(%esp) 			;...f0830424 00
     												;*putstatic instance
     												; - Singleton::getInstance@24
     

     通过对比发现，关键变化在于有 volatile 修饰的变量，赋值后（“mov%eax，0x150(%esi)”便是赋值操作）多执行了一个“lock addl$0x0，(%esp)”操作，这个操作的作用相当于一个内存屏障（指令中的“addl$0x0，(%esp)”即“把 ESP 寄存器的值加 0”是一个空操作）；

     • （只有一个处理器访问内存时，并不需要内存屏障；但如果有两个或更多处理器访问同一块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性了。）

volatile or lock？

关于“volatile 变量”本身的性能：
   1、读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，
   2、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指令来保证处理器不发生乱序执行。

volatile 与“锁”的性能：
   某些情况下，volatile 的同步机制性能确实优于锁（使用“synchronized 关键字”或“java.util.concurrent 包中的锁”）
   由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化，所以很难量化 volatile 比锁快多少

   在“volatile”与“锁”中选择的唯一判断依据仅仅是：volatile 的语义能否满足使用场景的需求。

Java 内存模型中对“volatile 变量”定义的特殊规则的定义

假定 T 表示一个线程，V 和 W 分别表示两个 volatile 型变量，那么在进行 read、load、use、assign、store 和 write 操作时需要满足如下规则：

   只有当“线程 T”对“变量 V”执行的前一个动作是 load 的时候，“线程 T”才能对“变量 V”执行 use 动作；
   并且，只有当“线程 T”对“变量 V”执行的后一个动作是 use 的时候，“线程 T”才能对“变量 V”执行 load 动作。
   “线程 T”对“变量 V”的 use 动作可以认为是和“线程 T”对“变量 V”的 load、read 动作相关联的，必须连续且一起出现。

• 每次使用“volatile 变量”前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对“volatile 变量”所做的修改。【可见性（读）】

   只有当“线程 T”对变量V执行的前一个动作是 assign 的时候，“线程 T”才能对变量V执行store动作；
   并且，只有当“线程 T”对变量V执行的后一个动作是store的时候，“线程 T”才能对变量V执行assign动作。
   “线程 T”对“变量 V”的 assign 动作可以认为是和“线程 T”对“变量 V”的 store、write 动作相关联的，必须连续且一起出现。

• 每次修改“volatile 变量”后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对“volatile 变量”所做的修改。【可见性（写）】

   假定“动作 A”是“线程T”对“变量 V”实施的 use 或 assign 动作，假定“动作 F”是和“动作 A”相关联的 load 或 store 动作，假定“动作 P”是和“动作 F”相应的对“变量 V”的 read 或 write 动作；
   与此类似，假定“动作 B”是“线程 T”对“变量 W”实施的 use 或 assign 动作，假定“动作 G”是和“动作 B”相关联的 load 或 store 动作，假定“动作 Q”是和“动作 G”相应的对“变量 W”的 read 或 write 动作。
   如果 A 先于 B，那么 P 先于 Q。

• volatile 修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。【禁止指令重排序】

针对 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、write 这八种操作都具有原子性，但是对于 64位 的数据类型（long 和 double），在模型中特别定义了一条宽松的规定：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，即允许虚拟机实现自行选择是否要保证 64 位数据类型的 load、store、read 和 write 这四个操作的原子性，这就是所谓的“long 和 double的非原子性协定”（Non-Atomic Treatment of double and long Variables）。

• 目前主流平台下商用的 64 位 Java 虚拟机中并不会出现非原子性访问行为，但是对于 32 位的 Java 虚拟机（譬如比较常用的 32 位 x86 平台下的 HotSpot 虚拟机），对 long 类型的数据确实存在非原子性访问的风险。

  从 JDK 9 起，HotSpot 增加了一个实验性的参数“-XX：+AlwaysAtomicAccesses”来约束虚拟机对所有数据类型进行原子性的访问。

• 在实际开发中，除非该数据有明确可知的线程竞争，否则不需要因为这个原因刻意把用到的 long 和 double 变量专门声明为 volatile。

原子性、可见性与有序性

1. 原子性（Atomicity）：
   • 大致可以认为：基本数据类型带访问读写是具备原子性的（例外但无需特别注意：long和double的非原子协定）
   • 如果需要更大范围的原子性保证：“synchronized”关键字
2. 可见性（Visibility）：指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。
   • Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此。

     普通变量与volatile变量的区别是：“volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新”。

   • 除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是“synchronized”和“final”：

     “synchronized”：“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store、write操作）”

     “final”：“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。”

3. 有序性（Ordering）：Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：“如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的（“线程内似表现为串行的语义”）；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（“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”）。”
   • Java语言提供了“volatile”和“synchronized”两个关键字来保证线程之间操作的有序性：

     “volatile”：volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义；

     “synchronized”：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”规则，决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

• “synchronized”关键字在需要这三种特性的时候都可以作为其中一种的解决方案。

先行发生原则（Happens-Before）

“先行发生”（Happens-Before）：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。比如说操作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。

• ~是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用的手段。

Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系：

• 这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。
• 如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来，则它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

1. 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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()”方法的是否结束、“Thread::isAlive()”的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

• 时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系，所以衡量并发安全问题的时候不要受时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。

线程是否安全？

1. 是否符合“先行发生”原则？
   1. 是：安全；
   2. 否：是否使用了相关线程同步手段？
      1. volatile：（#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）
      2. synchronized：
      3. java.concurrent.lock：

Java与线程

线程的实现

实现线程主要有三种方式：

1. 使用内核线程实现（1：1实现），
2. 使用用户线程实现（1：N实现），
3. 使用用户线程加轻量级进程混合实现（N：M实现）。

【这部分以前在计算机基础学过？？？看看去】

内核线程实现

• （使用内核线程实现的方式也被称为1：1实现。）

内核线程（Kernel-Level 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。
• 每个内核线程可以视为内核的一个分身，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称为“多线程内核”（Multi-Threads Kernel）。

程序一般不会直接使用内核线程，而是使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（LightWeight Process，LWP），轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程；

• 由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。
• 由于内核线程的支持，每个轻量级进程都成为一个独立的调度单元，即使其中某一个轻量级进程在系统调用中被阻塞了，也不会影响整个进程继续工作。
• 这种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。

轻量级进程也具有它的局限性：

1. 首先，由于是基于内核线程实现的，所以各种线程操作，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。
2. 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。

用户线程实现

• （使用用户线程实现的方式被称为1：N实现。）
• 广义上来讲，一个线程只要不是内核线程，都可以认为是用户线程的一种。

狭义上的用户线程（User Thread，UT）指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到用户线程的存在及如何实现的。

• 用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要内核的帮助。

  如果程序实现得当，这种线程不需要切换到内核态，因此操作可以是非常快速且低消耗的，也能够支持规模更大的线程数量，部分高性能数据库中的多线程就是由用户线程实现的。

• 这种进程与用户线程之间1：N的关系称为一对多的线程模型；

用户线程的优势在于不需要系统内核支援，劣势也在于没有系统内核的支援，所有的线程操作都需要由用户程序自己去处理。

混合实现

线程除了依赖内核线程实现和完全由用户程序自己实现之外，还有一种将内核线程与用户线程一起使用的实现方式，被称为N：M实现。在这种混合实现下，既存在用户线程，也存在轻量级进程。

• 用户线程还是完全建立在用户空间中，因此用户线程的创建、切换、析构等操作依然廉价，并且可以支持大规模的用户线程并发。
• 而操作系统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进程来完成，这大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。

• 混合模式中，用户线程与轻量级进程的数量比是不定的，是N：M的关系，即多对多的线程模型。

Java线程的实现

从JDK 1.3起，“主流”平台上的“主流”商用Java虚拟机（如Hotspot）的线程模型普遍都被替换为基于操作系统原生线程模型来实现，即采用1：1的线程模型。

Java线程调度

线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，调度主要方式有两种，分别是“协同式”线程调度和“抢占式”线程调度：

1. 协同式（Cooperative Threads-Scheduling）：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。

   实现简单；但线程执行时间不可控制，可能一个线程导致整个进程甚至整个系统阻塞；

2. 抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）：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。

   Java使用的线程调度方式就是抢占式调度。

线程优先级： Java语言一共设置了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。

• 因为主流虚拟机上的Java线程是被映射到系统的原生线程上来实现的，线程优先级亦是如此，所以线程调度最终还是由操作系统说了算。
• 优先级可能会被系统自行改变，所以不能通过优先级来完全准确判断一组状态都为Ready的线程将会先执行哪一个。

Java线程优先级与Windows线程优先级之间的对应关系：

状态转换

Java语言定义了6种线程状态，在任意一个时间点中，一个线程只能有且只有其中的一种状态，并且可以通过特定的方法在不同状态之间转换：

1. 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态。
2. 运行（Runnable）：包括操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可能正在执行，也有可能正在等待着操作系统为它分配执行时间。
3. 无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配处理器执行时间，它们要等待被其他线程显式唤醒。

   以下方法会让线程陷入无限期的等待状态：

   • 没有设置Timeout参数的Object::wait()方法；
   • 没有设置Timeout参数的Thread::join()方法；
   • LockSupport::park()方法。
4. 限期等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被分配处理器执行时间，不过无须等待被其他线程显式唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。

   以下方法会让线程进入限期等待状态：

   • Thread::sleep()方法；
   • 设置了Timeout参数的Object::wait()方法；
   • 设置了Timeout参数的Thread::join()方法；
   • LockSupport::parkNanos()方法；
   • LockSupport::parkUntil()方法。
5. 阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，

   “阻塞状态”与“等待状态”的区别是：

   • “阻塞状态”在等待着获取到一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；
   • 而“等待状态”则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。
6. 结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。

Java与协程

12.5.1　内核线程的局限 12.5.2　协程的复苏 12.5.3　Java的解决方案