1. 緩存一致性

計算機并發(fā)執(zhí)行若干任務号涯，需要與內(nèi)存交互。計算機存儲設備處理速度與處理器處理速度有著量級的差距芜抒，所以現(xiàn)代計算機系統(tǒng)不得不加入一層讀寫速度盡可能接近處理器運算速度的“高速緩存”來處理內(nèi)存與處理器之間的緩沖：將運算需要使用的數(shù)據(jù)復制到緩存中徽诲，讓運算快速進行劝萤，運算結束后再從緩存同步到內(nèi)存中，這樣處理器無需等待緩慢的內(nèi)存讀寫了煞赢。

但是這樣引入了一個問題：緩存一致性抛计。多處理器系統(tǒng)，每個系統(tǒng)有自己的高速緩存照筑，而又共享同一主內(nèi)存吹截。當多個處理器運算任務都涉及同一主內(nèi)存區(qū)域時瘦陈，將導致各自的緩存數(shù)據(jù)不一致，如果真的發(fā)生這種情況波俄，同步回主內(nèi)存時以誰的緩存數(shù)據(jù)為準呢晨逝？為了解決一致性的問題，需要各個處理器訪問緩存時遵循一些協(xié)議懦铺，在讀寫時根據(jù)協(xié)議進行操作捉貌，如MESI。

MESI緩存一致性協(xié)議
如果變量X是一個如valotile修飾的變量冬念，相當于在底層加了一個#Lock趁窃，此時會觸發(fā)MESI緩存一致性協(xié)議。

1.T1線程讀取了主內(nèi)存變量X刘急，將變量X標記為E狀態(tài)棚菊，同時會一直監(jiān)聽/嗅探bus其他線程是否有對變量X的操作。
2.如果此時線程T2也讀取了變量X叔汁，此時嗅探機制起作用统求，線程1與線程2會將變量X都編輯為S狀態(tài)。
3.如果線程T1修改了變量X据块，先鎖住該變量緩存行+將變量X標記為M+向bus發(fā)送消息码邻，同時線程T2會嗅探到bus消息中其他線程要修改變量X，這時線程T2會將變量X標記為I另假。需要重新讀取主存的變量X像屋。
4.線程T1修改完變量X后，將狀態(tài)標記為E边篮，并寫回主內(nèi)存中X新值己莺。

總線鎖與緩存一致性協(xié)議：如果是一個緩存行(緩存最小單位)，則使用緩存一致性協(xié)議离咐，多行使用總線鎖谱俭。

2. java內(nèi)存模型（java memory model, JMM）

java虛擬機規(guī)范試圖定義一種java內(nèi)存模型來屏蔽掉各種硬件與操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實現(xiàn)java程序在各種平臺下都能達到一致的內(nèi)存訪問效果宵蛀。

2.1 主內(nèi)存與工作內(nèi)存

java內(nèi)存模型主要目標是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則昆著，其是一個抽象，即咋虛擬機中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存取出變量這樣的底層細節(jié)术陶。此處的變量包括****實例對象凑懂，靜態(tài)字段和構成數(shù)組對象的元素，但不包括局部變量與方法參數(shù)梧宫。因為后者是線程私有的接谨，不會被共享，自然不會存在競爭問題塘匣。

java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量存儲在主內(nèi)存中脓豪，對應硬件的主內(nèi)存。每條線程還有自己的工作內(nèi)存忌卤，對應硬件的CPU緩存扫夜、寄存器。線程對變量的所有操作（讀取驰徊，賦值等）必須在工作內(nèi)存中進行笤闯，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量棍厂，線程間變量值的傳遞均需要主內(nèi)存完成望侈。

java內(nèi)存模型與java內(nèi)存區(qū)域并不是一個層次的內(nèi)存劃分，基本上沒有聯(lián)系勋桶。如果非要對應的話，主內(nèi)存主要對應java堆中的對象實例數(shù)據(jù)部分侥猬，而工作內(nèi)存則對應虛擬機棧的部分區(qū)域例驹。

2.2 內(nèi)存見交互操作

關于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交互協(xié)議，即一個變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存退唠、如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存的實現(xiàn)細節(jié)鹃锈，java內(nèi)存模型定義了8種操作完成，以下每種操作都是原子的瞧预，不可再分的屎债。

double仅政，long特殊規(guī)則：虛允許虛擬機將沒有被volatile修飾的64位數(shù)據(jù)的讀寫劃分為兩次32位的操作，即虛允許虛擬機實現(xiàn)選擇可以不保證64位數(shù)據(jù)類型的load\store\read\write操作的原子性盆驹，這就是所謂的double和long的非原子性協(xié)定圆丹。但是目前各種平臺的商用虛擬機幾乎都選擇把64位數(shù)據(jù)的讀寫操作作為原子操作對待，因為編寫代碼時一般不需要把用到的long和double變量專門聲明為volatile躯喇。

（1）lock(鎖定)：作用于主內(nèi)存的變量辫封，把一個變量標記為一條線程獨占狀態(tài)
（2）unlock(解鎖)：作用于主內(nèi)存的變量，把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來廉丽，釋放后的 變量才可以被其他線程鎖定
（3）read(讀取)：作用于主內(nèi)存的變量倦微，把一個變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中， 以便隨后的load動作使用
（4）load(載入)：作用于工作內(nèi)存的變量正压，它把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
（5）use(使用)：作用于工作內(nèi)存的變量欣福，把工作內(nèi)存中的一個變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當虛擬機遇到一個需要變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作
（6）assign(賦值)：作用于工作內(nèi)存的變量焦履，它把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量拓劝，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作
（7）store(存儲)：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個變量的值傳送到主內(nèi)存中裁良， 以便隨后的write的操作
（8）write(寫入)：作用于工作內(nèi)存的變量凿将，它把store操作從工作內(nèi)存中的一個變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中

主內(nèi)存復制到工作內(nèi)存：read+load
工作內(nèi)存復制到主內(nèi)存：store+write

注：java內(nèi)存模型只要求上述兩個操作必須按順序執(zhí)行，而沒有保證是連續(xù)執(zhí)行价脾。即可能出現(xiàn)read a牧抵、read b、load b侨把、load a犀变。

規(guī)則：

1. 不允許read和load、store和write操作單獨出現(xiàn)秋柄，即不允許一個變量從主內(nèi)存讀取了但工作內(nèi)存不接受获枝，或相反的情況出現(xiàn)
2. 不允許一個線程丟棄他的最近的assign操作，即變量在工作內(nèi)存改變了之后必須把該變化同步回主內(nèi)存
3. 不允許一個線程無原因地（沒有發(fā)生過任何assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中
4. 一個新的變量只能在主內(nèi)存中誕生骇笔，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個未被初始化（load或者assign）的變量省店。即就是對一個變量實施use和store操作之前，必須先自行assign和load操作笨触。
5. 一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進行l(wèi)ock操作懦傍，但lock操作可以被同一線程重復執(zhí)行多次，多次執(zhí)行l(wèi)ock后芦劣，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作粗俱，變量才會被解鎖。lock和unlock必須成對出現(xiàn)虚吟。
6. 如果對一個變量執(zhí)行l(wèi)ock操作寸认，將會清空工作內(nèi)存中此變量的值签财，在執(zhí)行引擎使用這個變量之前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值。
7. 如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定偏塞，則不允許對它執(zhí)行unlock操作唱蒸；也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量。
8. 對一個變量執(zhí)行unlock操作之前烛愧，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）

2.3 對于volatile型變量的特殊規(guī)則

vaolatile是java虛擬機提供的最輕量級的同步機制油宜。

特性1.保證此變量對所有線程的可見性。這里的可見性是指一條線程修改了這個變量的值怜姿，新值對于其他線程來說是可以立即得知的慎冤。普通變量的值在線程間傳遞均需要主內(nèi)存來完成。

(1)運算結果并不依賴于變量的當前值沧卢，或者能夠確保只有單一的線程修改變量的值
(2)變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束蚁堤。

滿足以上兩點，volatile可保證原子性但狭。

特性2.禁止指令重排序優(yōu)化披诗。普通變量僅僅會保證在該方法的執(zhí)行過程中所有依賴賦值結果的地方都能獲取到正確的結果，而不能保證變量賦值操作的順序與程序代碼中的執(zhí)行順序一致(As-If-Serial)立磁。

指令重排
編譯器以及CPU為了優(yōu)化代碼或者執(zhí)行的效率而執(zhí)行的優(yōu)化操作
無論重排前還是重排后程序的執(zhí)行結果在單線程中并沒有改變呈队，因此這種重排優(yōu)化是允許的。
指令重排一般發(fā)生在編譯器和CPU運行時唱歧。
As-If-Serial：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度）宪摧，（單線程）程序的執(zhí)行結果不能被改變，多線程不遵守此原則颅崩。

內(nèi)存屏障
1.保證特定操作的執(zhí)行順序
2.保證某些變量的內(nèi)存可見性
通過插入內(nèi)存屏障禁止在內(nèi)存屏障前后的指令執(zhí)行重排序優(yōu)化几于，禁止指令重排。

內(nèi)存屏障插入規(guī)則

JMM保守策略內(nèi)存屏障插入規(guī)則
在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障沿后。
在每個volatile寫操作的后面插入一個StoreLoad屏障沿彭。
在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadLoad屏障。
在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadStore屏障尖滚。

2.4原子性喉刘、可見性、有序性

原子性：由java內(nèi)存模型直接保證的原子性變量操作包括read漆弄、load饱搏、assign、use置逻、store、write备绽，基本數(shù)據(jù)類型的訪問讀寫是具備原子性的券坞。大范圍的原子性保證鬓催，java內(nèi)存模型提供了lock、unlock來滿足恨锚，虛擬機提供了更高層次的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit隱式對應宇驾，反映到java代碼就是同步塊-synchronized關鍵字。

可見性：一個線程修改了共享變量的值猴伶，其他線程能立即得知這個修改课舍。java內(nèi)存模型是通過在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值的這種依賴主內(nèi)存作為傳遞媒介的方式來實現(xiàn)可見性的他挎，無論是普通變量還是volatile變量都是如此筝尾，普通變量與volatile變量變量的區(qū)別是，volatile的特殊規(guī)則保證了新值能立即同步到主內(nèi)存办桨，以及每次使用前立即從主內(nèi)存刷新筹淫。因此，可以說volatile保證了多線程操作時變量的可見性呢撞，而普通變量則不能保證這一點损姜。對應上邊MESI一致性協(xié)議分析

synchronized和final也能實現(xiàn)可見性。同步塊的可見性是由“對一個變量執(zhí)行unlock操作之前殊霞，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中(執(zhí)行store摧阅、write操作)”這條規(guī)則獲得的。

有序性：如果在本線程內(nèi)觀察绷蹲，所有操作都是有序的（串行As-If-Serial）棒卷；如果在一個線程觀察另一個線程，所有操作都是無序的（指令重排瘸右，工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲）娇跟。volatile有序性本身就包含了禁止指令重排的語義；synchronized有序性是由“一個變量在同一時刻只允許一條進程對其進行l(wèi)ock操作”保證的太颤。

2.5先行發(fā)生原則

先行發(fā)生是java內(nèi)存模型定義的兩項操作之間的偏序關系苞俘，如果操作A先行發(fā)生于操作B，其實就是發(fā)生在操作B之前龄章，操作A產(chǎn)生的影響能被操作B觀察到吃谣，“影響”包括修改內(nèi)存中共享變量的值，發(fā)送了消息做裙，調(diào)用了方法等岗憋。

天然先行發(fā)生關系：

1.線程次序規(guī)則：在一個線程內(nèi)，按照程序代碼順序锚贱，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作仔戈。準確地說，應該是控制流順序而不是程序代碼順序，因為要考慮分支监徘、循環(huán)等結構
2.管程鎖定規(guī)則：一個unlock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的lock操作晋修。這里必須強調(diào)的是同一個鎖，而“后面”是指時間上的先后順序凰盔。
3.volatile變量規(guī)則：對一個volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作墓卦，這里的“后面”同樣是指時間上的先后順序。
4.線程啟動規(guī)則：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作户敬。
5.線程終止規(guī)則：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測落剪，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值等手段加測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行尿庐。
6.線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調(diào)用先發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生忠怖，可以通過Thread.interrupted()方法檢測到是否有中斷發(fā)生。
7.對象終結規(guī)則：一個對象的初始化完成（構造函數(shù)執(zhí)行結束）先行發(fā)生于它的finalize()方法的開始屁倔。
8.傳遞性：如果操作A先行發(fā)生于操作B脑又，操作B先行發(fā)生于操作C，那就可以得出操作A先行發(fā)生于操作C的結論锐借。

如果兩個操作之間的關系不在天然發(fā)生關系中问麸，就沒有順序保障，虛擬機可以對他們隨意的進行重排序钞翔。

3 java與線程

3.1 線程的實現(xiàn)

使用內(nèi)核線程實現(xiàn)严卖、使用用戶線程實現(xiàn)、使用用戶線程加輕量級進程混合實現(xiàn)

1.內(nèi)核線程實現(xiàn)

內(nèi)核線程(KTL)就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程布轿，這種線程由內(nèi)核完成線程切換哮笆，內(nèi)核通過操縱調(diào)度器對線程進行調(diào)度，并負責將線程的任務映射到各個處理器上
程序一般不會直接去使用內(nèi)核線程汰扭，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級接口-輕量級進程(LWP)稠肘，輕量級進程就是我們通常意義上所講的進程，由于每個輕量級進程都由一個內(nèi)核線程支持萝毛，因此只有先支持內(nèi)核線程项阴，才能有輕量級進程。這種輕量級進程與內(nèi)核線程之間1：1的關系稱為一對一線程模型笆包。

輕量級進程局限性：
(1)基于內(nèi)核實現(xiàn)环揽，各種線程操作，如創(chuàng)建庵佣，析構及同步歉胶，都需要進行系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用代價相對較高巴粪，需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)來回切換
(2)每個輕量級進程都需要有一個內(nèi)核線程的支持通今，因此輕量級進程要消耗一定的內(nèi)核資源（如內(nèi)核線程的椫嗝空間），因此一個系統(tǒng)支持輕量級進程的數(shù)量時有限的衡创。

2.使用用戶線程實現(xiàn)

廣義講帝嗡，一個線程只要不是內(nèi)核線程，就可以認為是用戶線程(UT)璃氢。狹義上用戶線程指的是完全建立在用戶空間的線程庫上，系統(tǒng)內(nèi)核不能感知線程存在的實現(xiàn)狮辽。用戶線程的建立一也、同步、銷毀和調(diào)度完全在用戶態(tài)中完成喉脖，不需要內(nèi)核的幫助椰苟。部分高性能數(shù)據(jù)庫中的多線程是由用戶線程實現(xiàn)的。這種進程與用戶線程之間1:N的關系稱為一對多的線程模型树叽。

用戶線程優(yōu)勢：不需要系統(tǒng)內(nèi)核支持
用戶線程劣勢：沒有內(nèi)核的支持舆蝴，所有線程操作需要用戶程序自己處理。(1).要考慮線程創(chuàng)建题诵、切換洁仗、調(diào)度 (2).由于系統(tǒng)操作只把處理器資源分配到進程，哪諸如“阻塞處理”性锭，“多處理器系統(tǒng)如何將線程映射到其他處理器上”這些問題解決起來異常困難赠潦。

3.使用用戶線程加輕量級進程混合實現(xiàn)
用戶線程建立在用戶空間中，因此用戶線程的創(chuàng)建草冈、切換烤送、析構等操作依然廉價蟆豫，并且可以支持大規(guī)模的用戶線程并發(fā)。而操作系統(tǒng)提供支持的輕量級進程則作為用戶線程和內(nèi)核進程之間的橋梁，這樣可以使用內(nèi)核提供的線程調(diào)度功能及處理器映射好渠，并且用戶線程的系統(tǒng)調(diào)用要通過輕量級進程來完成，大大降低了整個進程被完全阻塞的風險终畅。這種混合模式中渴肉，用戶線程與輕量級進程的數(shù)量比是不定的，即N:M诅岩，多對多的線程模型讳苦。

4.java線程的實現(xiàn)
jdk12以前，用戶線程吩谦。
jdk12以后鸳谜，線程模型替換為基于操作系統(tǒng)原生線程模型來實現(xiàn)。windows和linux使用一對一線程模型式廷，一條java線程就映射到一條輕量級進程中（因為linux和windows系統(tǒng)提供的線程模型就是一對一的）咐扭。solaris同時支持一對一和多對多，可通過參數(shù)配置。

3.2 java線程調(diào)度

線程調(diào)度是指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權的過程蝗肪，分為協(xié)同式調(diào)度和搶占式調(diào)度袜爪。

協(xié)同式：現(xiàn)成的執(zhí)行時間由線程本身控制，線程把自己的工作處理完了之后薛闪，主動通知系統(tǒng)切換到另一個線程上辛馆。好處：實現(xiàn)簡單，切換操作自己可知豁延，沒有線程同步問題昙篙。壞處：線程執(zhí)行時間不可控制，如果一個線程編寫有問題诱咏，一直不告知系統(tǒng)進行線程抓換苔可，程序會阻塞住。
搶占式：每個線程將由系統(tǒng)分配執(zhí)行時間袋狞，線程的切換不由線程本身來決定(java Thread.yield可以讓出執(zhí)行時間焚辅，但是線程本身還是沒辦法獲取執(zhí)行時間)。好處：線程執(zhí)行時間系統(tǒng)可控苟鸯，不會出現(xiàn)一個線程阻塞程序的問題同蜻，java使用的就是這種。

雖然java線程調(diào)度是系統(tǒng)自動完成的倔毙，但是可以建議系統(tǒng)給某些線程多分配一點執(zhí)行時間埃仪，另外的一些少點執(zhí)行時間，即可通過設置線程優(yōu)先級來完成陕赃。java一共有10個優(yōu)先級卵蛉，多個和線程同時處于Ready狀態(tài)時，優(yōu)先級越高越容易被系統(tǒng)選擇執(zhí)行么库。

不過優(yōu)先級并不完全靠譜傻丝，因為基于的系統(tǒng)原生線程實現(xiàn)，所以取決于操作系統(tǒng)诉儒。1.操作系統(tǒng)的優(yōu)先級與java的優(yōu)先級級別并不一定可以一一對應葡缰。2.系統(tǒng)可能會自動改變，如windows既有優(yōu)先級推進器忱反，會識別特別勤奮的線程泛释，越過優(yōu)先級為它分配執(zhí)行時間。

3.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

在任意時間點温算，一個線程有且只能由一種狀態(tài)怜校。

1. 新建(NEW)：創(chuàng)建后尚未啟動的線程
2. 運行(RUNNABLE)：Runable包括了操作系統(tǒng)線程狀態(tài)的Running和Ready，也就是處于此狀態(tài)的線程有可能正在執(zhí)行注竿，也可能在等待CPU為他分配執(zhí)行時間茄茁。
3. 無限期等待(WAITING)：處于該狀態(tài)的線程不會被分配CPU執(zhí)行時間魂贬，他們要等待被其他線程顯式的喚醒，以下方法會陷入無限期等待狀態(tài)：

沒有設置Timeout參數(shù)的Object.wait()方法
沒有設置Timeout參數(shù)的Thread.join()方法
LockSupport.park()方法

3. 限期等待(TIMED WAITING)：處于該狀態(tài)的線程也不會被分配CPU執(zhí)行時間裙顽，不過無需等待被其他線程顯式的喚醒付燥，在一定時間后會由系統(tǒng)自動喚醒，以下方法會陷入限期等待狀態(tài)：

Thread.sleep()方法 設置Timeout參數(shù)的Object.wait()方法
設置Timeout參數(shù)的Thread.join()方法
LockSupport.parkNanos()方法
LockSupport.parkUntil()方法

4. 阻塞(BLOCKED)：線程被阻塞了愈犹，阻塞狀態(tài)與等待狀態(tài)區(qū)別是：阻塞狀態(tài)在等待著獲取到一個排他鎖键科，這個事件將在另外一個線程放棄這個鎖的時候發(fā)生；而等待狀態(tài)則是在等待一段時間漩怎，或者喚醒動作的發(fā)生萝嘁。在程序等待進入同步區(qū)域的時候，線程進入這種狀態(tài)扬卷。
5. 結束(TERMINATED)：線程已經(jīng)執(zhí)行完畢。