硬件效率與一致性

處理器需要與內存交互，但處理器運算速度與對內存的I/O操作速度相差幾個數量級，因此現代操作系統不得不加入盡可能接近處理器運算速度的高速緩存來作為內存與處理器之前的緩沖。這樣處理器就不用等待緩慢的內存讀寫。

Java內存模型

主存與工作內存

Java內存模型的主要目的是定義程序中各個變量的訪問規則。這里的變量和Java編程中的變量有所區別，這里指的是實例字段、靜態字段和構成數組對象的元素，不包括局部變量和方法參數，因為是線程私有的，不會被共享，自然也不存在競爭問題。

Java內存模型規定所有的變量都存儲在主內存中。每條線程還有自己的工作內存，線程的工作內存存儲了被該線程使用到的變量的主內存副本拷貝。變量的所有操作（讀取、賦值等）都必須在工作內存中運行， 而不能直接讀寫主內存中的變量。

內存間交互操作

lock、unlock、read、load、use、assign、store、write。

read和load、store和write的操作必須是順序執行，但可以不用連續，比如read a、readb b、load b、load a。

?8種操作的規則：

• 一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進行lock操作，但lock操作可以被同一線程執行多次，多次lock后，只有執行相同次數的unlock，變量才會被解鎖。
• 對一個變量lock，那么會清空工作內存中該變量的值，需要重新load或assign這個值。
• 對一個變量unlock之前，必須將變量同步回主內存

volatile變量的特殊規則

volatile可以說是最輕量級的同步機制。具備兩種特性：

保證此變量對所有線程的可見性。可見性指一條線程修改了值后其它線程立即可知。普通線程不具備這個特性，必須得刷回主內存后值后才對其它線程可見。但這種特性并不能保證線程安全，具體來說無法保證變量的一致性。如多線程的++操作，volatile只能保證讀變量時值是正確的，但是多個線程一起寫變量，某個線程寫的快，其它線程的變量就會都被廢棄。在不符合下面兩條規則的場景還是需要加鎖（JUC或synchronized）來保證原子性：

運算結果并不依賴當前值，或者能夠確保只有單一的線程能夠修改變量的值

變量不需要與其它的狀態變量共同參與不變約束。（不變約束就是比如說lower<upper，初始值分別為0和10，同一時刻，線程1調用setLower(8)，線程2調用setUpper(2)，執行上完全沒問題，但是現在的lower和upper的值就變為了8和2這種無效的數據了）

禁止指令重排序優化。加入內存屏障，使得CPU的Cache寫入內存，該操作會使別的CPU無效化其Cache。從硬件來講，指令重排序是將多條指令不按程序規定分開發送給各相應電路單元處理。

volatie的讀和普通度的性能消耗沒什么區別，但是寫操作則可能會慢一些。

volatile對于操作的規則：

• read、load、use操作必須連續出現，即保證每次都從主內存讀取最新的值。
• assign、store、write操作必須連續出現，即保證每次都把修改結果刷新到主內存

64位的數據允許分成兩次32位的操作來執行，但目前虛擬機都把其作為原子操作來處理，因此使用的時候不需要專門設置為volatile。

volatile的基本數據類型能解決不同線程對get/set方法的執行，因為基本數據類型的操作是原子性的，即對其修改不依賴自身而是依賴傳入的值，因此執行set方法不會說執行到一半就切到另一個線程去get。

原子性、可見性、有序性

原子性：即操作的原子性，上述8個操作中除了lock和unlock外都是

可見性：當一個線程修改了共享變量值后，其它線程能立即得知這個修改。除了volatile外synchronized和final也能實現可見性。synchronized可見性是由“在unlock之前，必須把變量同步回主內存”實現的。final是在構造器中一旦初始化完成，并且this引用沒有逃逸，那么在其它線程中就能看見final字段的值。

有序性：線程內是有序的，線程之間是無序的。通過volatile和synchronized來提供線程之間有序。

Java與線程

線程的實現

Java在不同硬件和操作系統下對線程的操作統一處理

線程實現主要有3種方式：

內核實現：直接用操作系統內核支持的線程，這種線程由內核完成線程切換。一般不會直接去使用內核線程，而是使用內核線程的高級接口——輕量級進程，也就是通常意義上的線程。

使用用戶線程實現：一個線程只要不是內核線程，就可以認為是用戶線程，比如輕量級進程。但這種是建立在內核上的，許多操作都要系統調用，效率會受限制。因此用戶線程建立在用戶空間的線程庫上，用戶線程的建立、同步、銷毀、調度完全在用戶態中完成，不需要內核調度。

使用用戶線程加輕量級進程混合實現。

Java線程調度

協同式線程調度和搶占式線程調度。

• 協同式線程調度：線程的執行時間由線程本身控制，線程執行完后，主動通知系統切換到另一個線程上。
• 搶占式線程調度：線程由系統來分配執行時間，線程的切換不由線程本身決定（Thread.yield()可以讓出執行時間，但是線程本身無法獲取執行時間）。Java一共有10個級別的線程優先級。Java線程是通過映射到系統的原生線程實現的，因此線程調度是取決于系統。

狀態轉換

Java定義了5種線程狀態（等待有兩種），在任意一個時間點，一個線程只能有一個狀態。

• 新建（new）：創建后尚未啟動的線程
• 運行（runable）：包括了操作系統中的running和ready，即處于此狀態中的線程有可能正在運行，也有可能在等待CPU為其分配執行時間
• 等待： 無限期等待（waiting）：處于這種狀態的線程不會被CPU分配時間，要等待被其它線程喚醒。以下方法會讓線程進入無限期等待：
  • 沒有設置timeout的Object.wait()方法
  • 沒有設置timeout的Thread.join()方法
  • LockSupport.park()方法
  限期等待（timed waiting）：處于這種狀態的線程不會被CPU分配時間，不過不是等待喚醒，而是在一定時間后會由系統自動喚醒。以下方法會讓線程進入限期等待：
  • 設置timeout的Object.wait()方法
  • 設置timeout的Thread.join()方法
  • Thread.sleep()方法
  • LockSupport.parkNanos()方法
  • LockSupport.parkUntil()方法
• 阻塞（blocked）：線程被阻塞，與等待的區別是，阻塞是等待獲取一個排他鎖，這個時間將在另一個線程放棄這個鎖的時候發生。等待狀態是等待一段時間或喚醒狀態發生。在程序進入同步區域的時候，線程進入這個狀態。
• 結束：已終止線程的狀態，線程結束執行。

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轉載于:https://www.cnblogs.com/yjou/p/11265219.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解Java虚拟机——第十二章——Java内存模型与线程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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