本篇將介紹虛擬機(jī)如何實(shí)現(xiàn)多線程魂那、多線程之間由于共享和競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的一系列問(wèn)題及解決方案烟瞧。

• 概述
• Java內(nèi)存模型
• Java與線程

1.概述

a.多任務(wù)處理的必要性：

• 充分利用計(jì)算機(jī)處理器的能力地粪，避免處理器在磁盤(pán)I/O、網(wǎng)絡(luò)通信或數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)時(shí)總是處于等待其他資源的狀態(tài)新啼。
• 便于一個(gè)服務(wù)端同時(shí)對(duì)多個(gè)客戶(hù)端提供服務(wù)渣磷。通過(guò)指標(biāo)TPS（Transactions Per Second）可衡量一個(gè)服務(wù)性能的高低好壞，它表示每秒服務(wù)端平均能響應(yīng)的請(qǐng)求總數(shù)罢猪，進(jìn)而體現(xiàn)出程序的并發(fā)能力近她。

b.硬件的效率與一致性

為了更好的理解Java內(nèi)存模型，先理解物理計(jì)算機(jī)中的并發(fā)問(wèn)題膳帕，兩者有很高的可比性粘捎。

為了平衡計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備與處理器的運(yùn)算速度之間幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，引入一層高速緩存（Cache）來(lái)作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖：

• 將運(yùn)算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中危彩，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行攒磨；
• 當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后再?gòu)木彺嫱交貎?nèi)存之中，而無(wú)須讓處理器等待緩慢的內(nèi)存讀寫(xiě)汤徽。

但是基于高速緩存的存儲(chǔ)交互在多處理器系統(tǒng)中會(huì)帶來(lái)緩存一致性（Cache Coherence）的問(wèn)題娩缰。這是因?yàn)槊總€(gè)處理器都有自己的高速緩存，而它們又共享同一主內(nèi)存（Main Memory）谒府，當(dāng)多個(gè)處理器的運(yùn)算任務(wù)都涉及同一塊主內(nèi)存區(qū)域時(shí)拼坎，就可能導(dǎo)致各自的緩存數(shù)據(jù)不一致。解決辦法就是需要各個(gè)處理器訪問(wèn)緩存時(shí)都遵循一些協(xié)議完疫，在讀寫(xiě)時(shí)要根據(jù)協(xié)議來(lái)進(jìn)行操作泰鸡。如下圖。

因此壳鹤，這里所說(shuō)的內(nèi)存模型可以理解為：在特定的操作協(xié)議下盛龄，對(duì)特定的內(nèi)存或高速緩存進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)的過(guò)程抽象。

2.Java內(nèi)存模型（Java Memory Model芳誓，JMM）

a.目的：屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異余舶，實(shí)現(xiàn)Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問(wèn)效果。

b.方法：通過(guò)定義程序中各個(gè)變量的訪問(wèn)規(guī)則锹淌，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)匿值。

注意：這里的變量與Java中說(shuō)的變量不同，而指的是實(shí)例字段葛圃、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素千扔，但不包括局部變量與方法參數(shù)憎妙，因?yàn)楹笳呤蔷€程私有的，不會(huì)被共享曲楚，自然就不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題厘唾。

c.結(jié)構(gòu)：模型結(jié)構(gòu)如圖，和上張圖進(jìn)行類(lèi)比龙誊。

• 主內(nèi)存（Main Memory）：所有變量的存儲(chǔ)位置抚垃。直接對(duì)應(yīng)于物理硬件的內(nèi)存。

注意：這里的主內(nèi)存趟大、工作內(nèi)存與要點(diǎn)提煉| 理解JVM之內(nèi)存管理說(shuō)的Java內(nèi)存區(qū)域中的Java堆鹤树、棧、方法區(qū)等并不是同一個(gè)層次的內(nèi)存劃分逊朽。

• 工作內(nèi)存（Working Memory）：每條線程還有自己的工作內(nèi)存罕伯，用于保存被該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝。為了獲取更好的運(yùn)行速度叽讳，虛擬機(jī)可能會(huì)讓工作內(nèi)存優(yōu)先存儲(chǔ)于寄存器和高速緩存中追他。

注意：

• 線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量岛蚤。
• 不同的線程之間也無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量邑狸，線程間變量值的傳遞必須通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成。

• 交互協(xié)議：用于規(guī)定一個(gè)變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存涤妒、如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存之類(lèi)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)单雾。共有8種操作：
  • ①用于主內(nèi)存變量：
  • 鎖定（lock）：把變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占的狀態(tài)。
  • 解鎖（unlock）：把處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)她紫。
  • 讀取（read）：把變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中硅堆，以便隨后的load動(dòng)作使用。
  • 載入（load）：把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中贿讹。
  • ②用于工作內(nèi)存變量：
  • 使用（use）：把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎硬萍。
  • 賦值（assign）：把從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量。
  • 存儲(chǔ)（store）：把工作內(nèi)存中變量的值傳送到主內(nèi)存中围详，以便隨后的write操作使用。
  • 寫(xiě)入（write）：把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中祖屏。

結(jié)論：注意是順序非連續(xù)

• 如果要把變量從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存助赞，那就要順序地執(zhí)行read和load。
• 如果要把變量從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存袁勺，就要順序地執(zhí)行store和write雹食。

d.確保并發(fā)操作安全的原則：

①在Java內(nèi)存模型中規(guī)定了執(zhí)行上述8種基本操作時(shí)需要滿(mǎn)足如下規(guī)則：

• 不允許read和load、store和write操作之一單獨(dú)出現(xiàn)期丰，即不允許一個(gè)變量從主內(nèi)存讀取了但工作內(nèi)存不接受群叶，或者從工作內(nèi)存發(fā)起回寫(xiě)了但主內(nèi)存不接受的情況出現(xiàn)吃挑。
• 不允許一個(gè)線程丟棄它的最近的assign操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須把該變化同步回主內(nèi)存街立。
• 不允許一個(gè)線程無(wú)原因地舶衬，即沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何assign操作就把數(shù)據(jù)從線程的工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。
• 一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中“誕生”赎离，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化（load或assign）的變量逛犹，即對(duì)一個(gè)變量實(shí)施use、store操作之前必須先執(zhí)行過(guò)了assign和load操作梁剔。
• 一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行lock操作虽画，但lock操作可以被同一條線程重復(fù)執(zhí)行多次，多次執(zhí)行lock后荣病，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作码撰，變量才會(huì)被解鎖。
• 如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行lock操作个盆，那將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值脖岛，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行load或assign操作初始化變量的值砾省。
• 如果一個(gè)變量事先沒(méi)有被lock操作鎖定鸡岗，那就不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作，也不允許去unlock一個(gè)被其他線程鎖定住的變量编兄。
• 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前轩性，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中。

可見(jiàn)這么多規(guī)則非常繁瑣狠鸳，實(shí)踐也麻煩揣苏，下面再介紹一個(gè)等效判斷原則--先行發(fā)生原則。

②先行發(fā)生原則：是Java內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的偏序關(guān)系件舵。下面例舉一些“天然的”先行發(fā)生關(guān)系卸察，無(wú)須任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在，可以在編碼中直接使用铅祸。

• 程序次序規(guī)則（Program Order Rule）：在一個(gè)線程內(nèi)坑质，按照控制流順序，書(shū)寫(xiě)在前面的操作先行發(fā)生于書(shū)寫(xiě)在后面的操作临梗。
• 管程鎖定規(guī)則（Monitor Lock Rule）：一個(gè)unlock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作涡扼。
• volatile變量規(guī)則（Volatile Variable Rule）：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫(xiě)操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作。
• 線程啟動(dòng)規(guī)則（Thread Start Rule）：Thread對(duì)象的start()先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動(dòng)作盟庞。
• 線程終止規(guī)則（Thread Termination Rule）：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對(duì)此線程的終止檢測(cè).可通過(guò)Thread.join()結(jié)束吃沪、Thread.isAlive()的返回值等手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。
• 線程中斷規(guī)則（Thread Interruption Rule）：對(duì)線程interrupt()的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生什猖∑北耄可通過(guò)Thread.interrupted()檢測(cè)到是否有中斷發(fā)生红淡。
• 對(duì)象終結(jié)規(guī)則（Finalizer Rule）：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于它的finalize()的開(kāi)始。
• 傳遞性（Transitivity）：如果操作A先行發(fā)生于操作B降铸，操作B先行發(fā)生于操作C在旱，那么操作A一定先行發(fā)生于操作C。

e.Java內(nèi)存模型保證并發(fā)過(guò)程的原子性垮耳、可見(jiàn)性和有序性的措施：

• 原子性（Atomicity）：一個(gè)操作要么都執(zhí)行要么都不執(zhí)行颈渊。
  • 可直接保證的原子性變量操作有：read、load终佛、assign俊嗽、use、store和write铃彰，因此可認(rèn)為基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的訪問(wèn)讀寫(xiě)是具備原子性的绍豁。
  • 若需要保證更大范圍的原子性，可通過(guò)更高層次的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit來(lái)隱式地使用lock和unlock這兩個(gè)操作牙捉，反映到Java代碼中就是同步代碼塊synchronized關(guān)鍵字竹揍。
• 可見(jiàn)性（Visibility）：當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個(gè)修改邪铲。
  • 通過(guò)在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存芬位，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值這種依賴(lài)主內(nèi)存作為傳遞媒介的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
  • 提供三個(gè)關(guān)鍵字保證可見(jiàn)性：volatile能保證新值能立即同步到主內(nèi)存带到，且每次使用前立即從主內(nèi)存刷新昧碉；synchronized對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前可以先把此變量同步回主內(nèi)存中；被final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦初始化完成且構(gòu)造器沒(méi)有把this的引用傳遞出去揽惹，就可以在其他線程中就能看見(jiàn)final字段的值被饿。
• 有序性（Ordering）：程序代碼按照指令順序執(zhí)行。
  • 如果在本線程內(nèi)觀察搪搏，所有的操作都是有序的狭握，指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語(yǔ)義”；如果在一個(gè)線程中觀察另一個(gè)線程疯溺，所有的操作都是無(wú)序的论颅，指“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。
  • 提供兩個(gè)關(guān)鍵字保證有序性：volatile 本身就包含了禁止指令重排序的語(yǔ)義囱嫩；synchronized保證一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作嗅辣，使得持有同一個(gè)鎖的兩個(gè)同步塊只能串行地進(jìn)入。

3.Java與線程

a.線程實(shí)現(xiàn)的三種方式

①使用內(nèi)核線程（Kernel-Level Thread,KLT）

• 定義：直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程挠说。
• 原理：由內(nèi)核來(lái)完成線程切換，內(nèi)核通過(guò)操縱調(diào)度器（Scheduler）對(duì)線程進(jìn)行調(diào)度愿题，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上损俭。每個(gè)內(nèi)核線程可以視為內(nèi)核的一個(gè)分身蛙奖， 這樣操作系統(tǒng)就有能力同時(shí)處理多件事情。
• 多線程內(nèi)核（Multi-Threads Kernel）：支持多線程的內(nèi)核
• 輕量級(jí)進(jìn)程（Light Weight Process,LWP）：內(nèi)核線程的一種高級(jí)接口
  • 優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都由一個(gè)內(nèi)核線程支持杆兵，因此每個(gè)都成為一個(gè)獨(dú)立的調(diào)度單元雁仲，即使有一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程在系統(tǒng)調(diào)用中阻塞，也不會(huì)影響整個(gè)進(jìn)程繼續(xù)工作琐脏。
  • 缺點(diǎn)：由于基于內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)攒砖，所以各種線程操作（創(chuàng)建、析構(gòu)及同步）都需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用日裙，代價(jià)相對(duì)較高吹艇，需要在用戶(hù)態(tài)（User Mode）和內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode）中來(lái)回切換；另外昂拂，一個(gè)系統(tǒng)支持輕量級(jí)進(jìn)程的數(shù)量是有限的受神。
  • 一對(duì)一線程模型：輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線程之間1：1的關(guān)系，如圖所示

②使用用戶(hù)線程（User Thread,UT）

• 定義：廣義上認(rèn)為一個(gè)線程不是內(nèi)核線程就是用戶(hù)線程格侯；狹義上認(rèn)為用戶(hù)線程指的是完全建立在用戶(hù)空間的線程庫(kù)上鼻听，而系統(tǒng)內(nèi)核不能感知線程存在的實(shí)現(xiàn)。
• 優(yōu)點(diǎn)：由于用戶(hù)線程的建立联四、同步撑碴、銷(xiāo)毀和調(diào)度完全在用戶(hù)態(tài)中完成，不需要內(nèi)核的幫助朝墩，甚至可以不需要切換到內(nèi)核態(tài)醉拓，所以操作非常快速且低消耗的鱼辙，且可以支持規(guī)模更大的線程數(shù)量廉嚼。
• 缺點(diǎn)：由于沒(méi)有系統(tǒng)內(nèi)核的支援，所有的線程操作都需要用戶(hù)程序自己處理倒戏，線程的創(chuàng)建怠噪、切換和調(diào)度都是需要考慮的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜杜跷。
• 一對(duì)多的線程模型進(jìn)程：進(jìn)程與用戶(hù)線程之間1：N的關(guān)系傍念，如圖所示

③使用用戶(hù)線程加輕量級(jí)進(jìn)程混合

• 定義：既存在用戶(hù)線程，也存在輕量級(jí)進(jìn)程葛闷。
• 優(yōu)點(diǎn)：用戶(hù)線程完全建立在用戶(hù)空間中憋槐，因此用戶(hù)線程的創(chuàng)建、切換淑趾、析構(gòu)等操作依然廉價(jià)阳仔，并且可以支持大規(guī)模的用戶(hù)線程并發(fā)；操作系統(tǒng)提供支持的輕量級(jí)進(jìn)程作為用戶(hù)線程和內(nèi)核線程之間的橋梁扣泊，可以使用內(nèi)核提供的線程調(diào)度功能及處理器映射近范，且用戶(hù)線程的系統(tǒng)調(diào)用要通過(guò)輕量級(jí)線程來(lái)完成嘶摊，大大降低了整個(gè)進(jìn)程被完全阻塞的風(fēng)險(xiǎn)。
• 多對(duì)多的線程模型：用戶(hù)線程與輕量級(jí)進(jìn)程的數(shù)量比不定评矩，即用戶(hù)線程與輕量級(jí)進(jìn)程之間N：M的關(guān)系叶堆，如圖所示

那么Java線程的實(shí)現(xiàn)是選擇哪一種呢？答案是不確定的斥杜。操作系統(tǒng)支持怎樣的線程模型虱颗，在很大程度上決定了Java虛擬機(jī)的線程是怎樣映射的。線程模型只對(duì)線程的并發(fā)規(guī)模和操作成本產(chǎn)生影響蔗喂，而對(duì)Java程序的編碼和運(yùn)行過(guò)程來(lái)說(shuō)忘渔，這些差異都是透明的。

b.Java線程調(diào)度的兩種方式

線程調(diào)度：指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過(guò)程弱恒。

①協(xié)同式線程調(diào)度（Cooperative Threads-Scheduling）

• 由線程本身來(lái)控制線程的執(zhí)行時(shí)間辨萍。線程把自己的工作執(zhí)行完后，要主動(dòng)通知系統(tǒng)切換到另外一個(gè)線程上返弹。
• 好處：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單锈玉；切換操作自己可知，不存在線程同步的問(wèn)題义起。
• 壞處：線程執(zhí)行時(shí)間不可控拉背，假如一個(gè)線程編寫(xiě)有問(wèn)題一直不告知系統(tǒng)進(jìn)行線程切換，那么程序就會(huì)一直被阻塞默终。

②搶占式線程調(diào)度（Preemptive Threads-Scheduling）

• 由系統(tǒng)來(lái)分配每個(gè)線程的執(zhí)行時(shí)間椅棺。
• 好處：線程執(zhí)行時(shí)間是系統(tǒng)可控的，不存在一個(gè)線程導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程阻塞的問(wèn)題齐蔽。
• 可以通過(guò)設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)两疚，優(yōu)先級(jí)越高的線程越容易被系統(tǒng)選擇執(zhí)行。

但是線程優(yōu)先級(jí)并不是太靠譜含滴，一方面因?yàn)镴ava的線程是通過(guò)映射到系統(tǒng)的原生線程上來(lái)實(shí)現(xiàn)的诱渤，所以線程調(diào)度最終還是取決于操作系統(tǒng)，在一些平臺(tái)上不同的優(yōu)先級(jí)實(shí)際會(huì)變得相同谈况；另一方面優(yōu)先級(jí)可能會(huì)被系統(tǒng)自行改變勺美。

c.線程的五種狀態(tài)

在任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)線程只能有且只有其中的一種狀態(tài)：

• 新建（New）：線程創(chuàng)建后尚未啟動(dòng)
• 運(yùn)行（Runable）：包括正在執(zhí)行（Running）和等待著CPU為它分配執(zhí)行時(shí)間（Ready）兩種
• 無(wú)限期等待（Waiting）：該線程不會(huì)被分配CPU執(zhí)行時(shí)間碑韵，要等待被其他線程顯式地喚醒赡茸。以下方法會(huì)讓線程陷入無(wú)限期等待狀態(tài)：
  • 沒(méi)有設(shè)置Timeout參數(shù)的Object.wait()
  • 沒(méi)有設(shè)置Timeout參數(shù)的Thread.join()
  • LockSupport.park()
• 限期等待（Timed Waiting）：該線程不會(huì)被分配CPU執(zhí)行時(shí)間，但在一定時(shí)間后會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)喚醒祝闻。以下方法會(huì)讓線程進(jìn)入限期等待狀態(tài)：
  • Thread.sleep()
  • 設(shè)置了Timeout參數(shù)的Object.wai()
  • 設(shè)置了Timeout參數(shù)的Thread.join()
  • LockSupport.parkNanos()
  • LockSupport.parkUntil()
• 阻塞（Blocked）：線程被阻塞

注意區(qū)別：

• 阻塞狀態(tài)：在等待獲取到一個(gè)排他鎖占卧，在另外一個(gè)線程放棄這個(gè)鎖的時(shí)候發(fā)生；
• 等待狀態(tài)：在等待一段時(shí)間或者喚醒動(dòng)作的發(fā)生，在程序等待進(jìn)入同步區(qū)域的時(shí)候發(fā)生屉栓。

• 結(jié)束（Terminated）：線程已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行

下圖是線程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換：