《深入理解Java虚拟机》读书笔记6——Java内存模型和线程

 2019-12-22 10:59  阅读(611)
文章分类:JVM

1.硬件效率与一致性

由于计算机的存储设备与处理器的运算速度之间有着几个数量级的差距,所以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来作为内存与处理之间的缓冲:将运算需要使用的数据复制到缓存中,让运算速度快速运行,当运算结束后再从弄个缓存同步回内存之中,这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾,但是也引入了新的问题:缓存一致性。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。

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除此之外,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优化,处理器会再计算之后将乱序执行的结构重组,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以来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虚拟机的即时编译中也有类似的指令重排序优化。

2.Java内存模型

2.1主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。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,线程间变量值得传递均需要通过主存来完成,线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图。

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2.2内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实验细节,Java内存模型中定义了8种操作来完成:

  • lock(锁定):作为主内存的变量,它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
  • unlock(解锁):作为主内存的变量,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它线程锁定。
  • 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得字节码
  • 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命令。
  • 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。

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,或者从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会主内存中。
  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和store操作之前,必须先执行过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之后,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,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。
  7. 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。
  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和write操作)。

2.3对于volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是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,这里的“可见性”是指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。
由于volatile变量只能保证可见性,在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。
(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。
第二个特性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。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点,这样就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics )。

2.4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8个操作都具有原子性,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,即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性,这点就是所谓的long和double的非原子性协定。
如果有多个线程共享一个未被声明为volatile的long或double类型的变量,并且同时对它们进行读取和修改操作,那么某些线程可能会读到一个既非原值,也非其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值。
不过这种读取到“半个变量”的情况非常罕见,因为Java内存模型虽然允许虚拟机不把long和double变量的读写实现成原子操作,但允许迅疾选择把这些操作实现为具有原子性的操作,而且还“强烈建议”虚拟机这样实现。目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择吧64位数据的读写操作作为原子操作来对待,因此在编码时,不需要将long和double变量专门声明为volatile。

2.5原子性、可见性与有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的:

  1. 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。在synchronized块之间的操作也具备原子性。
  2. 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。
  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;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”,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。

2.6先行发生原则

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、发送了小写、调用了方法等。
下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系,这些先行发送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的话,他们就没有顺序性保障,虚拟机可以对它们进行随意重新排序。
(1)程序次序规则(Program Order Rule):在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在钱吗的操作先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。
(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”是指时间上的先后顺序。
(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。“后面”是指时间上的先后顺序。
(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):线程中所有操作都先行发生于此线程的终止检测。
(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。
(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,那就可以得到操作A先行发生于操作C。

3.Java与线程

3.1线程的实现

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
内核线程(Kernel Thread,KLT)就是直接由操作系统内核(Kernel)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-Threads Kernel)。
程序一般不会直接使用内核线程,而是去使用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,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。
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广义上将,一个线程只要不是内核线程,那就可以认为是用户线程(User Thread,UT)。 狭义上的用户线程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线程存在的实现。

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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。在这种混合实现下,既存在用户线程,也存在轻量级进程。

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3.2Java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,主要调度方式有两种,分别是协同式(Cooperative Threads-Scheduling)线程调度和抢占式线程调度(Preemptive Threads-Scheduling)。
如果使用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毕后,要主动通知系统切换到另一个线程上去。
如果使用抢占式调度的多线程系统,那么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,但要获取执行时间的话,线程本身是没有什么办法的)。

3.3状态转换

Java语言定义了5种线程状态,在任意一个时间点,一个线程只能有且只有其中的一种状态,这5种状态分别是:新建,运行,无限期等待,限期等待,阻塞,结束。
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  1. Java内存区域与内存溢出异常
  2. 垃圾收集器与内存分配策略
  3. 类文件结构
  4. 虚拟机类加载机制
  5. 类加载及执行子系统的案例与实战
  6. Java内存模型和线程
  7. 线程安全与锁优化
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