深刻理解Java虛擬機讀書筆記-第12章 Java內存模型與線程

第12章 Java內存模型與線程

12.1 概述

介紹虛擬機如何實現多線程，多線程之間因爲共享數據而致使的一系列問題及解決方案

12.2 硬件效率與一致性

介紹Java虛擬機內存模型前，先了解下物理機的併發問題。

• 硬件效率問題。計算機處理任務除了處理器計算外，還有內存交互,即讀寫數據。而存儲設備與處理機運行速度相差幾個數量級，爲此引入了讀寫速度儘量接近處理器的高速緩存Cache。處理器讀寫緩存數據，緩存將數據同步到內存。
• 緩存一致性問題。在共享內存多核系統中，每一個處理器都有本身的高速緩存，又共享同一主內存。爲了解決一致性問題，處理器訪問高速緩存時，須要遵循一些協議，好比MSI，MESI，MISI,Synapse,Dragon Protocol等。
• 代碼亂序執行優化問題。處理器爲了提升運算效率，會出現不按順序執行的狀況，但單線程下，處理器會保證執行結果與順序執行結果一致。而多線程的狀況下，沒法保證多個任務都按照順序執行。

Java虛擬機有本身的內存模型，也會有與物理機類型的問題。

12.3 Java內存模型

12.3.1 概述

Java內存模型規定：因此變量都存儲在主內存(Main Memory)中，線程有本身的工做內存，工做內存保存變量在主內存副本。線程對變量的讀寫只能再工做內存(Working Memory)中，線程間共享變量須要經過主內存完成。
  JVM內存模型的執行處理將圍繞解決兩個問題展開：
複製代碼

• 工做內存數據一致性
• 指令重排序優化，編譯期重排序和運行期重排序。

12.3.2 內存交互操做

主內存與工做內存的交互協議定義以下操做，Java虛擬機必須保證這些操做是原子性的。

• lock，做用於主內存變量，把變量標識爲線程獨佔狀態，使其餘線程沒法lock
• unlock，做用於主內存變量，解除線程獨佔狀態
• read，做用於主內存變量，把變量值傳輸到工做內存中，一邊隨後的load使用
• load，做用於工做內存變量,把read的變量值放入工做內存的變量副本中。
• use，做用於工做內存變量，變量值傳遞給執行引擎
• assign，做用於工做內存變量，執行引擎賦值給工做內存中的變量
• store，做用於工做內存變量，變量值傳輸到主內存，以便後續write使用
• write，做用於主內存變量，把store的變量值放入主內存變量中。

若是要把變量從主內存拷貝到工做內存，必須順序執行 read和load，但不要求必定連續。 若是要把變量從工做內存同步到主內存，必須順序執行 store和write，但不要求必定連續。

12.3.3 內存模型運行規則

1.內存交互基本操做的3個特性

Java內存模型是圍繞着在併發過程當中如何處理這3個特性來創建的，歸根結底是爲了實現共享變量在多個工做內存中的一致性，以及併發時，程序能如期運行。

• 原子性(Atomicity),即一個操做或者多個操做，要麼不執行，要麼所有執行且執行過程不會被打斷
• 可見性(Visibility),當多個線程訪問同一個變量時，一個線程改變了變量值，其餘線程要能當即看到修改過的值。線程經過共享主內存實現可見性。
• 有序性(Ordering),線程內指令串行(as-if-serial),線程間，對於同步(synchrinized)代碼以及volatile字段的操做須要維持相對有序

2.先行發生原則

happens-before

• 程序次序規則
• 管程鎖定規則
• volatile變量規則
• 線程啓動規則
• 線程終止規則
• 線程中斷規則
• 對象終結規則
• 傳遞性

3.內存屏障

內存屏障是被插入到兩個CPU指令之間的一種指令，用來禁止處理器指令發生指令重排序。

12.3.4 volatile型變量

volatile主要有下面兩種語義

語義1 保證可見性

保證了不一樣線程對該volatile型變量操做的內存可見性，但不等同於併發操做的安全性

• 線程寫volatile變量的過程assign-store-write必須連續出現：
  • 改變工做內存中volatile變量副本的值
  • 將改變的副本值刷新到主內存中
• 線程讀volatile變量的過程read-load-use必須連續出現：
  • 從主內存讀取volatile變量值並存入工做線程副本
  • 從工做內存讀取變量副本

語義2 禁止指令重排序

volatile型變量使用場景總結起來就是"一次寫入，處處讀取"，某個線程負責更新變量，其餘線程只讀取變量，並根據變量新值執行相應邏輯，例如狀態標誌位更新，觀察者模型變量值發佈