深入了解jvm-2Edition-Java内存模型与线程

本文主要是介绍深入了解jvm-2Edition-Java内存模型与线程，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

1、概述

　　现代计算机中，CPU的运算速度远远快于内存存取速度，为了更好利用CPU的硬件性能，人们想出来很多办法。

　　1、减小CPU和内存的速度差距——cache

　　　　通过在CPU和内存之间加入一层缓冲层，CPU的输出输入到cache中，输入从cache中获得。

　　　　然后再利用局部性原理，预先在cache中存入更多数据，来满足CPU的高速处理。

　　　　cache命中率、cache缺失、cache一致性、写缓冲、写回、写直达。

　　2、减少CPU等待——多任务处理

　　　　在当前任务在执行IO操作时，采用DMA方式执行IO，CPU保存当前进程的工作现场，并切换到其他进程执行。

　　在多处理器的CPU中，每个处理器都有自己的高速缓存，这时就引出了一个问题——缓存一致性（内存可见性）。

　　当多个处理器都对同一数据进行处理时，数据在处理器的缓存中可能会产生多个副本。

　　Java虚拟机规范中试图定义一种统一的Java内存模型来屏蔽掉硬件和操作系统内存访问的差异，从而在内存访问上实现平台无关性。

　　Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量储存到内存和从内存取出的底层细节。

2、Java内存模型

　　2.1 主内存与工作内存

　　　　Java内存模型规定所有的变量都存储在主内存中。

　　　　每个线程有自己的工作内存，其中保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝（引用）。

　　　　线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。

　　　　线程间的变量值的传递均需要通过主内存来完成。

　　2.2 内存间交互操作

　　　　如何在主内存和工作内存之间传递数据？

　　　　Java内存模型规定了8种操作：

　　　　　　1、lock

　　　　　　　　作用于主内存的变量，把变量标识为一条线程独占的状态。

　　　　　　2、unlock

　　　　　　　　将主内存变量从锁定状态释放。释放后的变量才能被其他线程锁定。

　　　　　　3、read

　　　　　　　　作用于主内存变量，把变量值从主内存传输入工作内存，以便后面的load操作使用。

　　　　　　4、load

　　　　　　　　作用于工作内存的变量，把read操作输入的值放入工作内存的变量副本中。

　　　　　　5、use

　　　　　　　　作用于工作内存变量，将工作内存变量值传递给执行引擎（当虚拟机执行到需要变量值的指令时）。

　　　　　　6、assign

　　　　　　　　作用于工作内存变量，把从执行引擎收到的值赋给工作内存变量。

　　　　　　7、store

　　　　　　　　作用于工作内存变量，把变量值传送到主内存中。以便后面的write指令使用。

　　　　　　8、write作用于主内存变量，把store操作传过来的值放入主内存的变量中。

　　　　执行以上8种操作需要满足以下规则：

　　　　　　1、read和load，store和write必须配对出现。不能存在输入但不接收的情况。

　　　　　　2、不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，变量在工作内存中改变后必须同步回主内存。

　　　　　　3、不允许一个线程无原因（没有改变）地将数据同步回主内存。

　　　　　　4、新的变量只能在主内存中产生，使用变量前，必须经过assign和load操作。

　　　　　　5、一个变量同一时刻只能有一个线程对其进行lock操作。但是，可以被一个线程多次执行lock操作（重入）。

　　　　　　6、如果对变量执行lock操作，那么会清空工作内存中变量的值，使用前需要重新load或赋值。

　　　　　　7、unlock必须在lock之后才能进行。

　　　　　　8、对变量执行unlock之前，必须同步回内存。

　　　　主内存--->工作内存：read--->load  按先后顺序执行，没有原子性要求。

　　　　工作内存--->主内存：store--->write 按先后顺序执行，没有原子性要求。

　　　　对于volatile类型变量的特殊规则：

　　　　　　1、可见性

　　　　　　　　一个线程修改了变量值，其他线程立即可以知道这个修改。

　　　　　　　　没有保证原子性。因此，read->change->write的操作（依赖当前值）是不安全的。

　　　　　　2、禁止指令重排序

　　　　　　　　在本地代码中插入了许多内存屏障来保证处理器不发生乱序执行。

　　　　对于long、double类型的特殊规则：

　　　　　　非原子协定：对于64位数据类型的读写可以采用两条32位指令来实现，且不强制两条指令的原子性。

　　2.3 先行发生规则

3、Java与多线程

　　线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，可以把进程的资源分配和调度执行分开。

　　各个线程既可以共享进程资源（内存、IO），又可以独立的被调度运行。　

　　3.1 线程实现

　　　　1、使用内核线程实现

　　　　　　内核线程（Kernal-Level Thread）：直接由操作系统内核支持和管理的线程。

　　　　　　轻量级进程（Light Weight Process）：内核线程的接口，用于程序调用。

　　　　　　使用内核线程实现就是在程序中调用轻量级进程接口，将线程的实现交给操作系统。

　　　　　　LWP：KLT=1：1。

　　　　　　线程切换代价太高，支持的线程数量有限。

　　　　2、使用用户线程实现

　　　　　　自己在程序中实现线程的建立、同步、销毁和调度。

　　　　　　切换效率高，实现复杂。

　　　　3、使用用户线程+内核线程 的混合模式

　　　　　　创建、切换销毁自己实现，调度和处理器映射则依赖操作系统。

　　　　　　UT（user thread）：LWP：KLT=m：n：n。

　　　　　　折中。

　　3.2 Java线程实现

　　　　Linux和windows都是1：1的实现。

4、Java线程调度

　　抢占式和非抢占式。

　　Java使用抢占式。

　　线程优先级，Java有10个等级，但是最终都要映射到操作系统的优先级上。

　　Windows有7个等级。

　　Java线程状态：

　　　　1、New

　　　　　　创建后尚未启动。

　　　　2、Runable

　　　　　　包括操作系统中的Running和Ready状态。

　　　　3、Waiting

　　　　　　无限期地等待，直到被显示地唤醒。

　　　　　　没有设Timeout参数的Object.wait()方法和Thread.join()方法；

　　　　　　LockSupport.park() 方法。

　　　　4、Timed Waiting

　　　　　　一段时间后自动苏醒。

　　　　　　Thread.sleep()方法；

　　　　　　设置了Timeout参数的Object.wait和Thread.join方法；

　　　　　　LockSupport.parkNanos()方法；

　　　　　　LockSupport.parkUtil()方法。

　　　　5、Blocked

　　　　6、Terminated

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