《深入理解java虚拟机》第3版笔记12

第12章 Java内存模型与线程

1. 主内存与工作内存

   Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。每条线程 还有自己的工作内存（Working Memory)，线程的工作内存中保 存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内 存中进行，而不能直接读写主内存中的数据。

   不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变 量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

   

2. 内存间交互操作

   • Java内存模型中定义了以下8种操作来完成

     • lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。

     • unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量 才可以被其他线程锁定。

     • 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）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的 变量副本中。

     • use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚 拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

     • assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收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。

     这里的lock，unlock说的是内存模型，和代码中lock接口没关系

   • Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：

     • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内 存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
     • 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回 主内存。
     • 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存 中。
     • 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或 assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行assign和load操作。
     • 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执 行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
     • 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量 前，需要重新执行load或assign操作以初始化变量的值。
     • 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个 被其他线程锁定的变量。
     • 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。

     最新的JSR-133文档中，已经放弃了采用这8种操作去定义Java内存模 型的访问协议，缩减为4种(read、write、lock和unlock)（仅是描述方式改变了，Java内存模型并没有改变）。

3. volatile型变量的特殊规则

   • 变量volatile之后，它将具备两项特性:
     • 第一项是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。
     • 第二个语义是禁止指令重排序优化

4. 原子性、可见性与有序性

   • Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的

     • 原子性（Atomicity）

       由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个.基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的(例外就是long和double的非原子性协定,不用太在意，几乎不会发生)。

       更大范围的原子性保证，提供了lock和 unlock操作来满足这种需求，对应synchronized关键字相关的字节码指令monitorenter和monitorexit。因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

     • 可见性（Visibility）

       volatile保证了新值 能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新

       同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操 作）”这条规则获得的。

       而inal关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完 成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（没有发生this引用逃逸），那么在其他线程中就能看见final字段的值。

     • 有序性（Ordering）

       Java程序中天然的有序性可以 总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程， 所有的操作都是无序的。

       volatile关键字包含了禁止指令重排序的语义

       synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对 其进行lock操作”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入

5. 先行发生原则

   Java内存模型下一些“天然的”先行发生（Happens-Before关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出 来，则它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

   • "先行发生"（Happens-Before）的原则
     • 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行 发生于书写在后面的操作。注意，这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循 环等结构。
     • 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这 里必须强调的是“同一个锁”，而“后面”是指时间上的先后。
     • volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个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“后面”同样是指时间上的先后。
     • 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
     • 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检 测，我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止 执行。
     • 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程 的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。
     • 对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize()方法的开始。
     • 传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出 操作A先行发生于操作C的结论。

6. 线程状态转换

   • Java语言定义了6种线程状态

     • 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态。

     • 运行（Runnable）：包括操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可 能正在执行，也有可能正在等待着操作系统为它分配执行时间。

     • 无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配处理器执行时间，它们要等待被其他线 程显式唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态：

       没有设置Timeout参数的Object::wait()方法；

       没有设置Timeout参数的Thread::join()方法；

       LockSupport::park()方法。

     • 限期等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被分配处理器执行时间，不过无须等待 被其他线程显式唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状 态：

       Thread::sleep()方法；

       设置了Timeout参数的Object::wait()方法；

       设置了Timeout参数的Thread::join()方法；

       LockSupport::parkNanos()方法；

       LockSupport::parkUntil()方法。

     • 阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是“阻塞状态”在等待着获取到 一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而“等待状态”则是在等待一段时 间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。

     • 结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。

   • 转换关系