你认同JVM中先行发生原则是比较隐蔽和重要的一点吗

曾经终败给现在 2024-03-24 10:11 42阅读 0赞

## Java内存模型与线程 ##

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上面的图就是`线程，工作内存，主内存`的关系，也可以看到线程想要获取数据，需要先到工作内存找，工作内存从主内存中找，那为啥需要这个工作内存 ? 而不直接访问主内存，也可以避免数据不一致的情况了。

这就需要我们对物理计算机中如何并发访问有一点儿了解，我们知道CPU内含有寄存器，但寄存器能存放的内容太少，而大部分时间都要从内存中获取，如果等待从内存中取得数据，CPU又被浪费了，因为两者间的速度差太多，所以引入了高速缓存。

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除了增加高速缓存外，为了处理器内部的运输单元能被充分利用，处理器会对输入代码进行乱序执行，在计算后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果一致。而潜在的风险就是一个计算任务依赖另一个计算任务的中间结果，其顺序性不能靠代码的先后顺序来保证，而Java内存模型也保留了这一点，我们也可以看到上面两幅图结构是非常相似的。所以Java内存模型的定义也是由硬件决定的。

### 内存间交互操作 ###

也就是图1中，`线程，工作内存，主内存`数据是怎么交互的，Java内存模型定义了8个操作，每个操作都是原子性的，对double，long类型的变量来说，`load,store,read,write`有一定例外，分为两次32位操作，问题不大。

**锁定（lock）** : 作用于主内存中的变量，将他标记为一个线程独享变量。

**解锁（unlock）** : 作用于主内存中的变量，解除变量的锁定状态，被解除锁定状态的变量才能被其他线程锁定。

**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)** ：把 read 操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量的副本中。

**use(使用)** ：把工作内存中的一个变量的值传给执行引擎，每当虚拟机遇到一个使用到变量的指令时都会使用该指令。

**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操作。

**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。

> 其中，`read,load` 和 `store,write`都要求顺序执行，但中间可以插入其他操作。

Java中还规定了这8种操作必须满足的规则（这里我通俗说）

1.  `read,load` 和 `store,write` 不能单独出现，我要了必须用，我给了你必须收。
2.  工作内存中修改了，必须同步到主内存
3.  如果工作内存没修改，不允许同步主内存
4.  一个新变量只能在主内存中诞生
5.  一个变量同一时刻只能被一个线程`lock`,如果统一线程多次加锁后，必须多次释放锁。 排他，可重入
6.  一个变量Lock后，会清空工作内存，之后使用需要重新获取加载。
7.  不能先unlock 再lock，也不允许unlock 别的线程加的锁
8.  执行unlock前，先将此变量的值同步回主内存

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### volatile ###

三大特性：

1.  可见性（一个线程修改后，其他线程都能获取到新值）底层每次使用前都会刷新该变量值。
2.  禁止指令重排优化，我用代码距离：

Map configOptions;
    char[] configText;
    volatile boolean initialized = false;
    
    // 线程A中执行 读取配置文件进行初始化
    configOptions = new HashMap();
    configText = readConfigFile(fileName);
    initialized = true;
    
    // 线程B中执行 等待初始化好后，利用配置干活儿
    while(!initialized) {
      sleep(500);
    }
    dosomethingWithConfig();
    复制代码

如果上面`initialized` 没用volatile修改，`initialized = true;`就可能排到上面，导致B线程以为初始化好后进行操作，导致问题。这些问题十分隐蔽，因为代码的执行顺序可能与代码编写的顺序不同。

> 这里我看有的资料说Volatile具有原子性，但我自己代码验证无法保证，因为Java运算操作符无原子性。Volatile是满足先行发生原则，具体看下面：

### 先行发生原则 ###

负责判断数据是否存在竞争，线程是否安全的有效手段，如果两个操作之间关系不匹配这些规则，则可能被指令重拍

#### 程序次序规则 ####

在一个线程中，按照**控制流**顺序，书写在其那面的操作先行发生与书写在后面的操作。注意：控制流不是代码顺序

Java 提供了三种类型的控制流语句。

1.  决策声明
    
     *  if 语句
     *  切换语句
2.  循环语句
    
     *  做while循环
     *  while 循环
     *  for 循环
     *  for-each 循环
3.  跳转语句
    
     *  中断语句
     *  继续声明

#### 管程锁定规则 ####

同一个锁，unlock 先行于 lock操作，这里先行指的时间上的先后

#### Volatile变量规则 ####

对Volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的先后指时间上的先后

#### 线程启动规则 ####

Thread的start() 先行于此线程的每个动作

#### 线程终止规则 ####

Thread所有操作都先行发生于对此线程的终止检查

#### 线程中断规则 ####

`Thread::interrupt()`先行发生与对此线程的中断检查 `Thread::interrupted()`

#### 对象终止规则 ####

一个对象的初始化完成先于`finalized()`方法的开始

#### 传递性 ####

操作A先行于操作B，操作B先与操作C，则操作A先于操作B

这里也举个重要的例子：简单的变量get，set方法

private int value = 0;
    
    void setValue(int value) {
      this.value = value;
    }
    
    int getValue() {
      return value;
    }
    复制代码

> 假设现在有线程A，B，线程A先执行（时间上）了`setValue(1)`,线程B后执行了`getValue()`,问线程B获取到的返回值是多少？

这道题很坑，常理来想，时间上先发生的操作肯定比后发生的操作先执行。但实际上：

时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系，我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。 时间上的先后，代码上的先后 都不能决定是否并发安全。

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### Java与线程 ###

实现线程主要有三种方式，使用内核线程实现（1:1），使用用户线程实现（1:N），使用用户线程+轻量级进程混合实现（N:M）

#### 内核线程实现 ####

直接由操作系统内核支持的线程，线程的切换也由内核管理，程序一般不会直接使用内核线程，而是使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程，也就是传统意义线程，每个轻量级进程都由一个内核线程支持，一比一的关系。

优点：每个轻量级进程都是独立的调度单元，一个阻塞了，不影响整个进程继续工作

缺点：基于内核线程实现，各类操作需要频繁在 `用户态 与 内核态`间切换。且一个系统支持的轻量级进程是有限的

#### 用户线程实现 ####

狭义的用户线程指：完全建立在用户空间的线程库上，系统内核无法感知，线程的建立，同步，销毁和调度完全在用户态中完成，可以不切换到内核态，速度很快。 部分高性能的数据库多线程就是由用户线程实现的。

缺点：也是由于没有系统内核的支持，所有系统操作都要由用户程序自己处理，Java，Ruby曾使用，后面也不用了，不过Go语言支持用户线程，作为高并发。

#### 混合使用 ####

既存在用户线程，也存在轻量级进程。用户线程还是在用户态，轻量级进程作为内核线程与用户线程之间的桥梁。

#### Java线程的实现 ####

HotSpot为例，它的每个Java线程都是直接映射到一个操作系统原生线程实现的，也就是上面的轻量级进程。线程的调度全权交给操作系统。

#### Java线程调度 ####

线程调度分为：协同式 和 抢占式

1.  协同式：线程执行时间由线程本身来控制。线程把自己工作干完了，主动通知系统切换到另一个线程。Lua使用
2.  抢占式：每个线程由操作系统来分配执行时间。Java使用

协同式的好处是实现简单，但如果一个线程卡死会导致程序一直阻塞。如果使用抢占式，可以保证线程的执行时间片到时间了，就切换到其他线程了，比方说我们用IDEA写代码，如果卡死了，我们可以启动任务管理器来Kill这个卡死线程。

#### 状态转化 ####

线程状态。线程可以处于以下状态之一：

*  [NEW][] 尚未启动的线程处于此状态。
 *  [RUNNABLE][] 在 Java 虚拟机中执行的线程处于这种状态。
 *  [BLOCKED][] 阻塞等待监视器锁的线程处于此状态。
 *  [WAITING][] 无限期等待另一个线程执行特定操作的线程处于此状态。
 *  [TIMED\_WAITING][TIMED_WAITING] 等待另一个线程执行某个操作达指定等待时间的线程处于此状态。
 *  [TERMINATED][] 已退出的线程处于此状态。

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