摘要：內(nèi)存之間的交互關(guān)于主內(nèi)存和工作內(nèi)存之間的具體交互協(xié)議，內(nèi)存模型定義了中操作來完成，虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候必須保證每個(gè)操作都是原子的，不可分割的對(duì)于和有例外鎖定作用于主內(nèi)存變量，代表一個(gè)變量是一條線程獨(dú)占。

并發(fā)不一定依賴多線程，但是在java里面談?wù)摬l(fā)，大多與線程脫不開關(guān)系。

線程是大多是面試都會(huì)問到的問題。我們都知道，線程是比進(jìn)程更輕量級(jí)的調(diào)度單位，線程之間可以共享內(nèi)存。之前面試的時(shí)候，也是這樣回答，迷迷糊糊，沒有一個(gè)清晰的概念。

大學(xué)的學(xué)習(xí)的時(shí)候，寫C和C++，自己都沒有用過多線程，看過一個(gè)Windows編程的書，里面講多線程的時(shí)候，一大堆大寫的字母，看著一點(diǎn)都不爽，也是慚愧。后來的實(shí)習(xí)，寫unity，unity的C#使用的是協(xié)程。只有在做了java后端之后，才知道線程到底是怎么用的。了解了java內(nèi)存模型之后，仔細(xì)看了一些資料，對(duì)java線程有了更深入的認(rèn)識(shí)，整理寫成這篇文章，用來以后參考。

Java虛擬機(jī)規(guī)范試圖定義一種java內(nèi)存模型來屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實(shí)現(xiàn)讓java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致性內(nèi)存訪問的效果。

java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問規(guī)則，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量的底層細(xì)節(jié)。（這里所說的變量包括了實(shí)例字段、靜態(tài)字段和數(shù)組等，但不包括局部變量與方法參數(shù)，因?yàn)檫@些是線程私有的，不被共享。）

java規(guī)定所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存。每條線程有自己的工作內(nèi)存。

線程的工作內(nèi)存中的變量是主內(nèi)存中該變量的副本，線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同線程間也無法直接訪問對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞需要通過主內(nèi)存來完成。

關(guān)于主內(nèi)存和工作內(nèi)存之間的具體交互協(xié)議，java內(nèi)存模型定義了8中操作來完成，虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候必須保證每個(gè)操作都是原子的，不可分割的（對(duì)于long和double有例外）

lock鎖定：作用于主內(nèi)存變量，代表一個(gè)變量是一條線程獨(dú)占。

unlock解鎖：作用于主內(nèi)存變量，把鎖定的變量解鎖。

read讀取：作用于主內(nèi)存變量，把變量值從主內(nèi)存?zhèn)鞯骄€程的工作內(nèi)存中，供load使用。

load載入：作用工作內(nèi)存變量，把上一個(gè)read到的值放入到工作內(nèi)存中的變量中。

use使用：作用于工作內(nèi)存變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎。

assign：作用于工作內(nèi)存變量，把執(zhí)行引擎執(zhí)行過的值賦給工作內(nèi)存中的變量。

store存儲(chǔ)：作用于工作內(nèi)存變量，把工作內(nèi)存中的變量值傳給主內(nèi)存，供write使用。

這些操作要滿足一定的規(guī)則。

volatile可以說是java的最輕量級(jí)的同步機(jī)制。

當(dāng)一個(gè)變量被定義為volatile之后，他就具備兩種特性：

保證此變量對(duì)所有線程都是可見的

這里的可見性是指當(dāng)一個(gè)線程修改了某變量的值，新值對(duì)于其他線程來講是立即得知的。而普通變量做不到，因?yàn)槠胀ㄗ兞啃枰獋鬟f到主內(nèi)存中才可以做到這點(diǎn)。

禁止指令重排

對(duì)于普通變量來說，僅僅會(huì)保證在該方法的執(zhí)行過程中所有依賴賦值結(jié)果的地方都能獲取到正確的結(jié)果，而不能保證變量賦值操作的順序與程序代碼中的執(zhí)性順序一致。

若用volatile修飾變量，在編譯時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。

volatile對(duì)于單個(gè)的共享變量的讀/寫具有原子性，但是像num++這種復(fù)合操作，volatile無法保證其原子性。

long和double是一個(gè)64位的數(shù)據(jù)類型。

虛擬機(jī)允許將沒有被volatile修飾的64位變量的讀寫操作分為兩次32位的操作來進(jìn)行。因此當(dāng)多個(gè)線程操作一個(gè)沒有聲明為volatile的long或者double變量，可能出現(xiàn)操作半個(gè)變量的情況。

但是這種情況是罕見的，一般商用的虛擬機(jī)都是講long和double的讀寫當(dāng)成原子操作進(jìn)行的，所以在寫代碼時(shí)不需要將long和double專門聲明為volatile。

java的內(nèi)存模型是圍繞著在并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性和有序性。

原子性

基本數(shù)據(jù)類型的訪問讀寫是劇本原子性的。

如果需要一個(gè)更大范圍的原子性保證，java提供了lock和unlock操作，對(duì)應(yīng)于寫代碼時(shí)就是synchronized關(guān)鍵字，因此在synchronized塊之間的操作也是具備原子性的。

可見性

可見性是指當(dāng)一個(gè)線程修改到了一個(gè)共享變量的值，其他的線程能夠立即得知這個(gè)修改。共享變量的讀寫都是通過主內(nèi)存作為媒介來處理可見性的。

volatile的特殊規(guī)則保證了新值可以立即同步到主內(nèi)存，每次使用前立即從主內(nèi)存刷新。

synchronized同步塊的可見性是由”對(duì)于一個(gè)變量unlock操作之前，必須先把此變量同步回內(nèi)存中“來實(shí)現(xiàn)的。

final的可見性是指被final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦初始化完成，并且構(gòu)造器沒有把this的引用傳遞出去，那么在其他線程中就能看見final字段的值。

有序性

如果在本線程內(nèi)觀察，所有的操作都是有序的；如果在一個(gè)線程內(nèi)觀察另一個(gè)線程，所有的操作都是無序的。
volatile關(guān)鍵字本身就包含了禁止指令重排的語義，而synchronized則是由“一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作”這條規(guī)則來實(shí)現(xiàn)有序性的。

如果java內(nèi)存模型中的所有有序性都是靠著volatile和synchronized來完成，那有些操作將會(huì)變得很繁瑣，但是我們?cè)趯慾ava并發(fā)代碼的時(shí)候沒有感受到這一點(diǎn)，都是因?yàn)閖ava有一個(gè)“先行發(fā)生”原則。

先行發(fā)生是java內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的偏序關(guān)系，如果說操作A先發(fā)生于操作B，其實(shí)就是說在發(fā)生B之前，A產(chǎn)生的影響都能被B觀察到，這里的影響包括修改了內(nèi)存中共享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等等。

程序次序規(guī)則

在一個(gè)線程內(nèi)，按程序代碼控制流順序執(zhí)行。

管程鎖定規(guī)則

unlock發(fā)生在后面時(shí)間同一個(gè)鎖的lock操作。

volatile變量規(guī)則

volatile變量的寫操作發(fā)生在后面時(shí)間的讀操作。

線程啟動(dòng)規(guī)則

線程終止規(guī)則

線程中斷規(guī)則

對(duì)象終結(jié)規(guī)則

一個(gè)對(duì)象的初始化完成在finalize方法之前。

傳遞性

如果A先行發(fā)生B，B先行發(fā)生C，那么A先行發(fā)生C。

由于指令重排的原因，所以一個(gè)操作的時(shí)間上的先發(fā)生，不代表這個(gè)操作就是先行發(fā)生；同樣一個(gè)操作的先行發(fā)生，也不代表這個(gè)操作必定在時(shí)間上先發(fā)生。

主流的操作系統(tǒng)都提供了線程的實(shí)現(xiàn)，java則是在不同的硬件和操作系統(tǒng)的平臺(tái)下，對(duì)線程的操作提供了統(tǒng)一的處理，一個(gè)Thread類的實(shí)例就代表了一個(gè)線程。Thread類的關(guān)鍵方法都是native的，所以java的線程實(shí)現(xiàn)也都是依賴于平臺(tái)相關(guān)的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)現(xiàn)線程主要有3種方式：使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)，使用用戶線程實(shí)現(xiàn)和使用用戶線程加輕量級(jí)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)核線程就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程，這種線程由內(nèi)核來完成線程的切換，內(nèi)核通過操縱調(diào)度器對(duì)線程進(jìn)行調(diào)度，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上。

程序一般不會(huì)直接去調(diào)用內(nèi)核線程，而是使用內(nèi)核線程的一個(gè)高級(jí)接口——輕量級(jí)進(jìn)程（Light Weigh Process），LWP就是我們通常意義上所說的線程。

由于每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都由一個(gè)內(nèi)核線程支持，這種輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線程之間1:1的關(guān)系成為一對(duì)一線程模型。

局限性

雖然由于內(nèi)核線程的支持，每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都成為了一個(gè)獨(dú)立的調(diào)度單元，即使有一個(gè)阻塞，也不影響整個(gè)進(jìn)程的工作，但是還是有一定的局限性：

系統(tǒng)調(diào)用代價(jià)較高

由于基于內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)，所以各種線程的操作都要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用的代價(jià)比較高，需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)來回切換。

系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)量有限

每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都需要一個(gè)內(nèi)核線程支持，需要消耗一定的內(nèi)核資源，所以支持的線程數(shù)量是有限的。

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(shí)現(xiàn)。用戶線程的建立、同布、銷毀和調(diào)度完全在用戶態(tài)中完成，不需要內(nèi)核幫助。

如果程序?qū)崿F(xiàn)得當(dāng)，則這些線程都不需要切換到內(nèi)核態(tài)，操作非?？焖傧牡?，可以支持大規(guī)模線程數(shù)量。這種進(jìn)程和用戶線程之間1:N的關(guān)系成為一對(duì)多線程模型。

局限性

不需要系統(tǒng)內(nèi)核的，既是優(yōu)勢(shì)也是劣勢(shì)。由于沒有系統(tǒng)內(nèi)核支援，所有的操作都需要程序去處理，由于操作系統(tǒng)只是把處理器資源分給進(jìn)程，那“阻塞如何處理”、“多處理器系統(tǒng)如何將線程映射到其他處理器上”這類問題的解決十分困難，所以現(xiàn)在使用用戶線程的越來越少了。

在這種混合模式下，既存在用戶線程，也存在輕量級(jí)進(jìn)程。

用戶線程還是完全建立在用戶空間中，因此用戶線程的創(chuàng)建、切換、析構(gòu)等操作依然廉價(jià)，而且支持大規(guī)模用戶線程并發(fā)、而操作系統(tǒng)提供支持的輕量級(jí)進(jìn)程則作為用戶線程和內(nèi)核線程之間的橋梁，這樣可以使用內(nèi)核提供的線程調(diào)度和處理器映射，并且用戶線程的系統(tǒng)調(diào)用要通過輕量級(jí)進(jìn)程來完成，大大降低了整個(gè)進(jìn)程被完全阻塞的風(fēng)險(xiǎn)。

在這種模式下，用戶線程和輕量級(jí)進(jìn)程數(shù)量比不固定N:M，這種模式就是多對(duì)多線程模型。

目前的jdk版本中，操作系統(tǒng)支持怎樣的線程模型，很大程度上就決定了jvm的線程是怎么映射的，這點(diǎn)在不同的平臺(tái)沒辦法打成一致。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，對(duì)編碼和運(yùn)行都沒什么差異。

windows和linux都是一對(duì)一的線程模型。

線程的調(diào)度是指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過程，主要的調(diào)度方式有兩種：協(xié)同式線程調(diào)度和搶占式線程調(diào)度。

線程的執(zhí)性時(shí)間由線程本身來控制，線程把自己的工作執(zhí)性完了之后，要主動(dòng)通知系統(tǒng)切換到另外一個(gè)線程上。Lua的協(xié)程就是這樣。

好處

協(xié)同式多線程最大的好處就是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

由于線程要把自己的事情干完之后才進(jìn)行線程切換，切換操作對(duì)線程是克制的，所以沒有什么線程同步的問題。

壞處

壞處也很明顯，線程執(zhí)行時(shí)間不可控。甚至如果一個(gè)線程寫的問題，一直不告訴系統(tǒng)切換，那程序就會(huì)一直阻塞。

每個(gè)線程由系統(tǒng)分配執(zhí)行時(shí)間，線程的切換不是又線程本身來決定。

使用yield方法是可以讓出執(zhí)行時(shí)間，但是要獲取執(zhí)行時(shí)間，線程本身是沒有什么辦法的。

在這種調(diào)度模式下，線程的執(zhí)行時(shí)間是系統(tǒng)可控的，也就不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)線程導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程阻塞。

java使用的是搶占式線程調(diào)度。

雖然java的線程調(diào)度是系統(tǒng)來控制的，但是可以通過設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)的方式，讓某些線程多分配一些時(shí)間，某些線程少分配一些時(shí)間。

不過線程優(yōu)先級(jí)還是不太靠譜，原因就是java的線程是通過映射到系統(tǒng)的原生線程來實(shí)現(xiàn)的，所以線程的調(diào)度還是取決于操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的線程優(yōu)先級(jí)不一定和java的線程優(yōu)先級(jí)一一對(duì)應(yīng)。而且優(yōu)先級(jí)還可能被系統(tǒng)自行改變。所以我們不能在程序中通過優(yōu)先級(jí)來準(zhǔn)確的判斷先執(zhí)行哪一個(gè)線程。

看到網(wǎng)上有好多種說法，不過大致也都是說5種狀態(tài)：新建（new）、可運(yùn)行（runnable）、運(yùn)行（running）、阻塞（blocked）和死亡（dead）。

而深入理解jvm虛擬機(jī)中說java定義了5種線程狀態(tài)，在任一時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)線程只能有其中的一種狀態(tài)：

新建new

運(yùn)行runnable

包括了操作系統(tǒng)線程狀態(tài)的running和ready，也就是說處于此狀態(tài)的線程可能正在執(zhí)行，也可能正在等待cpu給分配執(zhí)行時(shí)間。

無限期等待waiting

處于這種狀態(tài)的線程不會(huì)被cpu分配執(zhí)行時(shí)間，需要被其他線程顯示喚醒，能夠?qū)е戮€程陷入無限期等待的方法有：

沒有設(shè)置timeout參數(shù)的wait方法。

沒有設(shè)置timeout參數(shù)的join方法。

LockSupport.park方法。

限期等待timed waiting

處于這種狀態(tài)的線程也不會(huì)被cpu分配執(zhí)行時(shí)間，不過不需要被其他線程顯示喚醒，是經(jīng)過一段時(shí)間之后，被操作系統(tǒng)自動(dòng)喚醒。能夠?qū)е戮€程陷入限期等待的方法有：

sleep方法。

設(shè)置timeout參數(shù)的wait方法。

設(shè)置參數(shù)的join方法。

LockSupport.parkNanos方法。

LockSupport.parkUntil方法。

阻塞blocked

線程被阻塞了。在線程等待進(jìn)入同步區(qū)域的時(shí)候是這個(gè)狀態(tài)。

阻塞和等待的區(qū)別是：阻塞是排隊(duì)等待獲取一個(gè)排他鎖，而等待是指等一段時(shí)間或者一個(gè)喚醒動(dòng)作。

結(jié)束terminated

已經(jīng)終止的線程。

并發(fā)處理的廣泛應(yīng)用是使得Amdahl定律代替摩爾定律成為計(jì)算機(jī)性能發(fā)展源動(dòng)力的根本原因，也是人類壓榨計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的最有力武器。有些問題使用越多的資源就能越快地解決——越多的工人參與收割莊稼，那么就能越快地完成收獲。但是另一些任務(wù)根本就是串行化的——增加更多的工人根本不可能提高收割速度。

我們使用線程的重要原因之一是為了支配多處理器的能力，我們必須保證問題被恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了并行化的分解，并且我們的程序有效地使用了這種并行的潛能。有時(shí)候良好的設(shè)計(jì)原則不得不向現(xiàn)實(shí)做出一些讓步，我們必須讓計(jì)算機(jī)正確無誤的運(yùn)行，首先保證并發(fā)的正確性，才能夠在此基礎(chǔ)上談高效，所以線程的安全問題是一個(gè)很值得考慮的問題。

雖然一直說java不好，但是java帶給我的影響確實(shí)最大的，從java這個(gè)平臺(tái)里學(xué)到了很多有用的東西?，F(xiàn)在golang，nodejs，python等語言，每個(gè)都是在一方面能秒java，可是java生態(tài)和java對(duì)軟件行業(yè)的影響，是無法被超越的，java這種語言，從出生到現(xiàn)在幾十年了，基本上每次軟件技術(shù)的革命都沒有落下，每次都覺得要死的時(shí)候，忽然間柳暗花明，枯木逢春?？瓤龋哆h(yuǎn)了。