深入理解JVM之高效并发

Java内存模型与线程
Java内存模型
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 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 程序运行时主要访问的是工作内存
内存间交互操作
关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存这一类的实现细节, Java内存模型中定义了以下8种操作来完成 Java虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的
交互基本操作
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
如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按顺序执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序执行store和write操作,必须按顺序执行，但不要求是连续执行
内存建交互操作规定
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）
基于理解难度和严谨性考虑，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（仅是描述方式改变了，Java内存模型并没有改变）
对于volatile型变量的特殊规则
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性

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。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成 即使如此，Java里面的运算操作符并非原子操作，这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的 禁止指令重排序优化 保证把修改同步到内存时，意味着所有之前的操作都已经执行完成
原子性、可见性与有序性
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） 如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求 尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作 这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性
可见性（Visibility）
可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改 Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的 可实现可见性的关键字 volatile变量 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 synchronized 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 final 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，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 ava语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性 volatile关键字本身就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
先行发生原则
先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，比如说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等 时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准，典型例子：指令重排
Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系
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
Java与线程
线程的实现
线程是Java里面进行处理器资源调度的最基本单位 Thread类它的所有关键方法都被声明为Native 一个Native方法往往就意味着这个方法没有使用或无法使用平台无关的手段来实现（当然也可能是为了执行效率而使用Native方法，不过通常最高效率的手段也就是平台相关的手段） 实现线程主要有三种方式：使用内核线程实现（1：1实现），使用用户线程实现（1：N实现），使用用户线程加轻量级进程混合实现（N：M实现）
Java线程调度
线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程 调度主要方式有两种，分别是协同式（Cooperative Threads-Scheduling）线程调度和抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度
协同式调度的多线程系统
线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完了之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上去 最大好处是实现简单，切换操作对线程自己是可知的，一般没有什么线程同步的问题 坏处也很明显：线程执行时间不可控制，如果一个线程的代码编写有问题，一直不告知系统进行线程切换，那么程序就会一直阻塞在那里
抢占式调度的多线程系统
Java使用的线程调度方式就是抢占式调度 每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定 线程的执行时间是系统可控的，也不会有一个线程导致整个进程甚至整个系统阻塞的问题
Java线程调度是系统自动完成的，但是我们可以通过设置线程优先级来分配线程执行时间。（10个级别的线程优先级（Thread.MIN_PRIORITY至Thread.MAX_PRIORITY））

线程优先级并不是一项稳定的调节手段，在某些操作系统上不同的优先级实际会变得相同；优先级可能会被系统自行改变；

状态转换
Java语言定义了6种线程状态，在任意一个时间点中，一个线程只能有且只有其中的一种状态

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
Java与协程
协程的主要优势是轻量，无论是有栈协程还是无栈协程，都要比传统内核线程要轻量得多
线程安全与锁优化
线程安全
当多个线程同时访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那就称这个对象是线程安全的

Java语言中的线程安全
按照线程安全的“安全程度”由强至弱来排序，我们[1]可以将Java语言中各种操作共享的数据分为以下五类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立
线程安全的实现方法
互斥同步
同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一条（或者是一些，当使用信号量的时候）线程使用 互斥是实现同步的一种手段，临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是常见的互斥实现方式 synchronized 最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，这是一种块结构（BlockStructured）的同步语法 synchronized关键字经过Javac编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令 这两个字节码指令都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java源码中的synchronized明确指定了对象参数，那就以这个对象的引用作为reference；如果没有明确指定，那将根据synchronized修饰的方法类型（如实例方法或类方法），来决定是取代码所在的对象实例还是取类型对应的Class对象来作为线程要持有的锁 在执行monitorenter指令时，首先要去尝试获取对象的锁。如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经持有了那个对象的锁，就把锁的计数器的值增加一，而在执行monitorexit指令时会将锁计数器的值减一。一旦计数器的值为零，锁随即就被释放了。如果获取对象锁失败，那当前线程就应当被阻塞等待，直到请求锁定的对象被持有它的线程释放为止 被synchronized修饰的同步块对同一条线程来说是可重入的。这意味着同一线程反复进入同步块也不会出现自己把自己锁死的情况。 被synchronized修饰的同步块在持有锁的线程执行完毕并释放锁之前，会无条件地阻塞后面其他线程的进入。这意味着无法像处理某些数据库中的锁那样，强制已获取锁的线程释放锁；也无法强制正在等待锁的线程中断等待或超时退出 持有锁是一个重量级（Heavy-Weight）的操作。Java的线程是映射到操作系统的原生内核线程之上的，如果要阻塞或唤醒一条线程，则需要操作系统来帮忙完成，这就不可避免地陷入用户态到核心态的转换中，进行这种状态转换需要耗费很多的处理器时间 Lock(J.U.C包): 重入锁（ReentrantLock）是Lock接口最常见的一种实现 等待可中断 指当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情 可实现公平锁 公平锁：指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁 synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock在默认情况下也是非公平的 不过一旦使用了公平锁，将会导致ReentrantLock的性能急剧下降，会明显影响吞吐量 锁可以绑定多个条件 指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象 在synchronized中，锁对象的wait()跟它的notify()或者notifyAll()方法配合可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外添加一个锁 多次调用newCondition()方法即可
synchronized对性能的影响，尤其在JDK 5之前是很显著的，当JDK 6中加入了大量针对synchronized锁的优化措施，synchronized与ReentrantLock的性能基本上能够持平

synchronized 优点
synchronized是在Java语法层面的同步，足够清晰，也足够简单。 Lock应该确保在finally块中释放锁，否则一旦受同步保护的代码块中抛出异常，则有可能永远不会释放持有的锁。 这一点必须由程序员自己来保证 而使用synchronized的话则可以由Java虚拟机来确保即使出现异常，锁也能被自动释放。 Java虚拟机更容易针对synchronized来进行优化 因为Java虚拟机可以在线程和对象的元数据中记录synchronized中锁的相关信息，而使用J.U.C中的Lock的话，Java虚拟机是很难得知具体哪些锁对象是由特定线程

锁持有的
非阻塞同步
互斥同步面临的主要问题是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能开销，因此这种同步也被称为阻塞同步 互斥同步属于一种悲观的并发策略，其总是认为只要不去做正确的同步措施（例如加锁），那就肯定会出现问题，无论共享的数据是否真的会出现竞争，它都会进行加锁 基于冲突检测的乐观并发策略:不管风险，先进行操作 如果没有其他线程争用共享数据，那操作就直接成功了 如果共享的数据的确被争用，产生了冲突，那再进行其他的补偿措施 最常用的补偿措施是不断地重试，直到出现没有竞争的共享数据为止 这种乐观并发策略的实现不再需要把线程阻塞挂起，因此这种同步操作被称为非阻塞同步 我们必须要求操作和冲突检测这两个步骤具备原子性 测试并设置（Test-and-Set） 获取并增加（Fetch-and-Increment） 交换（Swap） 比较并交换（Compare-and-Swap，下文称CAS） 加载链接/条件储存（Load-Linked/Store-Conditional，下文称LL/SC） CAS指令 需要有三个操作数 内存位置（在Java中可以简单地理解为变量的内存地址，用V表示） 旧的预期值（用A表示） 准备设置的新值（用B表示） CAS指令执行时，当且仅当V符合A时，处理器才会用B更新V的值，否则它就不执行更新 原子操作，执行期间不会被其他线程中断 存在一个逻辑漏洞 ABA问题

无同步方案
会有一些代码天生就是线程安全的

可重入代码（纯代码） 指可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码（包括递归调用它本身），而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误，也不会对结果有所影响 所有可重入的代码都是线程安全的，但并非所有的线程安全的代码都是可重入的 特征：不依赖全局变量、存储在堆上的数据和公用的系统资源，用到的状态量都由参数中传入，不调用非可重入的方法等 线程本地存储 一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行
锁优化
高效并发是从JDK 5升级到JDK 6后一项重要的改进项,实现各种锁优化技术.如适应性自旋（Adaptive Spinning）、锁消除（LockElimination）、锁膨胀（Lock Coarsening）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（BiasedLocking）等，这些技术都是为了在线程之间更高效地共享数据及解决竞争问题，从而提高程序的执行效率

自旋锁与自适应自旋
物理机器有一个以上的处理器或者处理器核心，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一会”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只须让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁 如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程 在JDK 6中对自旋锁的优化，引入了自适应的自旋 自适应意味着自旋的时间不再是固定的了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定的 如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而允许自旋等待持续相对更长的时间，比如持续100次忙循环 如果对于某个锁，自旋很少成功获得过锁，那在以后要获取这个锁时将有可能直接省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源
锁消除
锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码要求同步，但是对被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除

锁粗化
我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变少，即使存在锁竞争，等待锁的线程也能尽可能快地拿到锁 但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体之中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗

轻量级锁
偏向锁