前言

??在Android應(yīng)用開發(fā)中，由于Android系統(tǒng)的單線程模型（UI主線程）罢低，使得一些耗時操作必須放在子線程執(zhí)行；又由于線程間需要交互信息网持，在多線程環(huán)境中，需要做好同步操作萍倡，以防止不可預(yù)期的錯誤發(fā)生辟汰。因此帖汞，掌握多線程相關(guān)知識對于開發(fā)尤為重要戴而。比如在我們常用的Okhttp所意，Rxjava等框架中都可以看見多線程的身影（ThreadPoolExecutor）

硬件概述

??由于計算機(jī)的存儲設(shè)備（IO）與處理器（CPU）的運算能力之間有幾個數(shù)量級的差距鹿鳖，所以現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)都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（cache）來作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖：將運算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓運算能快速進(jìn)行，當(dāng)運算結(jié)束后再從緩存同步回內(nèi)存之中沒這樣處理器就無需等待緩慢的內(nèi)存讀寫了命满。
??基于高速緩存的存儲交互很好地解決了處理器與內(nèi)存的速度矛盾胶台，但是引入了一個新的問題：緩存一致性（Cache Coherence）。在多處理器系統(tǒng)中韩脏，每個處理器都有自己的高速緩存铸磅，而他們又共享同一主存，如下圖所示：多個處理器運算任務(wù)都涉及同一塊主存吹散，需要一種協(xié)議可以保障數(shù)據(jù)的一致性八酒，這類協(xié)議有MSI、MESI界轩、MOSI及Dragon Protocol等。Java虛擬機(jī)內(nèi)存模型中定義的內(nèi)存訪問操作與硬件的緩存訪問操作是具有可比性的抖甘，后續(xù)將介紹Java內(nèi)存模型与殃。
??除此之外，為了使得處理器內(nèi)部的運算單元能竟可能被充分利用米奸，處理器可能會對輸入代碼進(jìn)行亂起執(zhí)行（Out-Of-Order Execution）優(yōu)化爽篷，處理器會在計算之后將對亂序執(zhí)行的代碼進(jìn)行結(jié)果重組逐工，保證結(jié)果準(zhǔn)確性。與處理器的亂序執(zhí)行優(yōu)化類似棕硫，Java虛擬機(jī)的即時編譯器中也有類似的指令重排序（Instruction Recorder）優(yōu)化袒啼。

model_cache.png

Java內(nèi)存模型

??Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則恬吕，即在虛擬機(jī)中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)须床。 Java內(nèi)存模型中規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存（可以與前面將的處理器的高速緩存類比）钠惩，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量到主內(nèi)存副本拷貝篓跛，線程對變量的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行蔬咬，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量沐寺。不同線程之間無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要在主內(nèi)存來完成狐援，線程究孕、主內(nèi)存和工作內(nèi)存的交互關(guān)系如下圖所示：

java_thread.png

內(nèi)存間交互操作

??關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間的具體交互協(xié)議厨诸，即一個變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存、如何從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存之間的實現(xiàn)細(xì)節(jié)批钠，Java內(nèi)存模型定義了以下八種操作來完成：

·lock（鎖定）：  作用于主內(nèi)存的變量得封，把一個變量標(biāo)識為一條線程獨占狀態(tài)忙上。
·unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存變量闲坎，把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定梗逮。
·read（讀刃辶铩）：  作用于主內(nèi)存變量，把一個變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中底哗，以便隨后的load動作使用
·load（載入）：  作用于工作內(nèi)存的變量跋选，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。
·use（使用）：   作用于工作內(nèi)存的變量坠韩，把工作內(nèi)存中的一個變量值傳遞給執(zhí)行引擎炼列，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。
·assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量须蜗，它把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量目溉，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時執(zhí)行這個操作缭付。
·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)存中秫舌，以便隨后的write的操作绣檬。
·write（寫入）： 作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中墨缘。

??如果要把一個變量從主內(nèi)存中復(fù)制到工作內(nèi)存镊讼，就需要按順尋地執(zhí)行read和load操作平夜，如果把變量從工作內(nèi)存中同步回主內(nèi)存中，就要按順序地執(zhí)行store和write操作玩裙。Java內(nèi)存模型只要求上述操作必須按順序執(zhí)行，而沒有保證必須是連續(xù)執(zhí)行寝受。也就是read和load之間罕偎，store和write之間是可以插入其他指令的颜及，如對主內(nèi)存中的變量a、b進(jìn)行訪問時讯蒲，可能的順序是read a肄扎，read b，load b旭等， load a衡载。Java內(nèi)存模型還規(guī)定了在執(zhí)行上述八種基本操作時痰娱，必須滿足如下規(guī)則：

·不允許read和load、store和write操作之一單獨出現(xiàn)
·不允許一個線程丟棄它的最近assign的操作鲸睛，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須同步到主內(nèi)存中坡贺。
·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)存中拴念。
·一個新的變量只能在主內(nèi)存中誕生褐缠，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量。即就是對一個變量實施use和store操作之前公般，必須先執(zhí)行過了assign和load操作官帘。
·一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進(jìn)行l(wèi)ock操作，lock和unlock必須成對出現(xiàn)
·如果對一個變量執(zhí)行l(wèi)ock操作酗捌，將會清空工作內(nèi)存中此變量的值涌哲，在執(zhí)行引擎使用這個變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值
·如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定阀圾，則不允許對它執(zhí)行unlock操作；也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量涡真。
·對一個變量執(zhí)行unlock操作之前肾筐，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）。

指令重排序

??在執(zhí)行程序時為了提高性能剧劝，編譯器和處理器經(jīng)常會對指令進(jìn)行重排序讥此。重排序分成三種類型：

·編譯器優(yōu)化的重排序谣妻。編譯器在不改變單線程程序語義放入前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序他巨。
·指令級并行的重排序〖踅現(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)來將多條指令重疊執(zhí)行辈灼。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序司志。
·內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀寫緩沖區(qū)囚霸，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行拓型。

同步關(guān)鍵字

Java提供了volatile和synchronized來保證同步

volatile

禁止指令重排序贸营，保證內(nèi)存可見性，但不保證原子性揣云。僅作用于變量邓夕。

synchronized

禁止指令重排序阎毅，保證內(nèi)存可見性，保證原子性矿咕。作用于方法狼钮，代碼塊熬芜。

原子性

由Java內(nèi)存模型來直接保證的原子性變量包括read,load,assign,use,store,write,我們大致可以認(rèn)為基本數(shù)據(jù)類型的訪問讀寫是具備原子性的(long，double除外)

可見性

可見性是指當(dāng)一個線程修改了共享變量的值瑞侮，其他線程能夠立即得知這個修改半火。volatile就是這個作用季俩。
除了vloatile外种玛，Java還有synchronized和final能保證可見性。同步塊的可見性是由"對一個變量執(zhí)行unlock操作之前娱节，必須先把次變量同步回主內(nèi)存中"這條規(guī)則獲得的祭示，而final的可見性是指：被final修飾的字段在構(gòu)造其中一旦初始化完成质涛，并且構(gòu)造器沒有把this的引用傳遞出去（this引用逃逸是一件很危險的事，其他線程有可能通過這個引用訪問到“初始化了一半”的對象）怒炸，那在其他線程中就能看見final的值毡代。

有序性

如果在本線程內(nèi)觀察教寂，所有的操作都是有序的；如果在一個線程中觀察另一個線程导梆，所有的操作都是無需的迂烁。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語義”婚被，后半句是指“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。

Java線程的實現(xiàn)

線程是比進(jìn)程更輕量級的調(diào)度執(zhí)行單位灾茁，線程的引入北专，可以把一個進(jìn)程的資源分配和執(zhí)行調(diào)度分開旬陡，各個線程即可以共享進(jìn)程資源（內(nèi)存地址描孟、文件I/O等）砰左，又可以獨立調(diào)度(線程是CPU調(diào)度的基本單位)场航。
實現(xiàn)線程主要有3中方式：使用內(nèi)核線程實現(xiàn)溉痢、使用用戶線程實現(xiàn)和使用用戶線程加輕量級進(jìn)程混合實現(xiàn)。

內(nèi)核線程

一對一線程模型 髓削，內(nèi)核線程(Kernel-Level Thread,KLT)是直接有操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程立膛，這種線程由內(nèi)核來完成線程切換汽畴，內(nèi)核通過操作調(diào)度器(Scheduler)對線程進(jìn)行調(diào)度忍些，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射帶各個處理器上。
程序一般不會直接去使用內(nèi)核線程廓握，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級接口——輕量級進(jìn)程（Light Weight Process,LWP）嘁酿，輕量級進(jìn)程就是我們通常意義上所講的線程闹司，由于每個輕量級進(jìn)程都由一個內(nèi)核線程支持游桩，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有輕量級進(jìn)程盹憎。這種輕量級進(jìn)程與內(nèi)核線程間1:1的關(guān)系稱為一對一的線程模型铐刘，如下圖所示：

kernel_thread.png

用戶線程

一對N線程模型 械荷，用戶程序完全模擬線程的行為吨瞎，編碼時操作的線程是用戶程序模擬的線程，操作系統(tǒng)內(nèi)核不能感知你做了創(chuàng)建字旭、調(diào)度等等線程操作着绊。許多編程語言最初使用過這種方式归露，但現(xiàn)在基本放棄了這種。

userthread.png

用戶線程加輕量級進(jìn)程混合實現(xiàn)

N對M線程模型 往果，也有很多語言使用混合實現(xiàn)一铅。

hybrid.png

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(quán)的過程潘飘，主要的調(diào)度方式有兩種：

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

這種方式是原始方式卜录，由一個線程執(zhí)行完通知另一個線程戈擒。已經(jīng)很少使用，很容易造成阻塞艰毒。

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

主流方式筐高，由系統(tǒng)來根據(jù)一系列復(fù)雜的規(guī)則為每個線程分配執(zhí)行時間，線程的切換不是由線程自己做主（Java可以有Thread.yield()來讓出執(zhí)行時間丑瞧，但是沒有獲取執(zhí)行時間的方式）柑土。
Java語言一共設(shè)置了10個優(yōu)先級（Thread.MIN_PRIORITY到Thread.MAX_PRIORITY，1-10绊汹，正常值是5）;在兩個線程同時處于ready狀態(tài)時稽屏，優(yōu)先級越高的線程越容易被烯烴選擇執(zhí)行。
但是不要依賴優(yōu)先級灸促，因為它并不靠譜，最終結(jié)果仍取決于OS浴栽。比如Java有10種優(yōu)先級荒叼，而linux優(yōu)先級從-20-19，那怎么對應(yīng)呢典鸡；比如windows有7中優(yōu)先級被廓。

狀態(tài)切換

Java語言定義了5中線程狀態(tài)，在任意一個時間點萝玷，一個線程只能有且只有一種狀態(tài)嫁乘，這5種狀態(tài)如下：

·新建(New): 創(chuàng)建后，尚未啟動的線程
·運行(Runnable): 包括了操作系統(tǒng)狀態(tài)的Running和Ready球碉，即此時線程可能運行蜓斧，也可能CPU正在為它分配時間片，還沒運行睁冬。
·無限期等待(Waiting)：處于這種狀態(tài)的線程不會被分配CPU執(zhí)行時間挎春，它們要等其他線程顯示的喚醒。調(diào)用如下方法會時當(dāng)前線程進(jìn)入Waiting狀態(tài)：
        沒有設(shè)置timeout的java.lang.Object#wait();
        沒有設(shè)置timeout的threadObj.join()/threadObj.join(0)方法
        LockSupport.park()方法
·限期等待：同上，只是設(shè)置了timeout直奋，在時間到了后自動喚醒
        java.lang.Object#wait(long);
        java.lang.Thread#sleep(long);
        threadObj.join(n)方法
        LockSupport.parkNanos(obj ,n)方法
        LockSupport.parkUntil(obj ,n)方法
·阻塞(Blocked)：線程被阻塞了能庆，阻塞與等待的區(qū)別是：阻塞狀態(tài)在等待一個排它鎖，這個時間在另外一個線程放棄這個所的時候發(fā)生脚线；而等待則是等待一段時間搁胆，或者被喚醒。
·結(jié)束(Terminated)：已終止的線程狀態(tài)邮绿，線程已結(jié)束執(zhí)行渠旁。

state.png

參考：深入理解Java虛擬機(jī)，作者：周志明船逮，侵刪一死。