前言
本文由PPT整理而来。
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目录
- 进程与线程
- Java内存模型
- Java线程
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进程
- 一般一个应用程序对应一个进程
- 进程有自己的资源和内存地址空间
- 各个进程之间互不干扰
- 进程会保存程序的运行状态，支持切换及恢复
- 进程使操作系统看起来同一时刻有多个任务在执行
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线程
- 一个进程可以有多个线程
- 多个线程共享同一进程的资源和内存空间
- 线程创建、调度、切换及线程间通信的开销小于进程
- UI线程编程模型
- 多线程并发执行可能会引发问题
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小结
- 进程是操作系统进行资源分配的基本单位
- 线程是操作系统进行调度的基本单位
- 进程让操作系统的并发成为可能
- 线程让应用程序的并发成为可能
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思考
- 思考1：为什么要发明线程？何不用多进程来取代多线程？
- 思考2：多线程性能是否一定优于单线程？
- 思考3：并发与并行有什么区别？
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Java内存模型
- 概念理解
- 缓存一致性
- 内存间交互协议
- volatile语义
- happens-before原则
- 原子性
- 可见性
- 有序性
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物理机层面的并发
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应用程序层面的并发
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概念理解
- 内存模型可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同的物理机可能有不同的内存模型，JVM也有自己的内存模型，基本原理是类似的。
- JVM是跨平台的，为了实现跨平台，Java虚拟机规范视图定义一种JMM(Java Memory Model)来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台上都能达到一致的内存访问效果。对比C/C++等非跨平台语言，需针对不同平台写程序，同时体现了JVM这个抽象层的好处。
- Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
- Java内存模型经过长时间的验证修补和发展，JDK1.5之后，基本成熟和完善起来了。
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内存间交互协议
- lock：作用于主内存变量，将其标识为线程独占
- unlock：作用于主内存变量，将线程独占释放
- read：作用于主内存变量，把变量从主内存读到线程工作内存，之后是load
- load：作用于工作内存变量，把之前read的值存入工作内存副本中
- use：作用于工作内存变量，将其值传给执行引擎
- assign：作用于工作内存变量，将从执行引擎收到的值赋给工作内存变量
- store：作用于工作内存变量，将工作内存的值传送到主内存，之后是write
- wirte：作用于主内存变量，将store操作得到的值存入主内存中
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附加规则
- 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
- 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assign）把数据从工作内存同步回主内存
- 一个新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assgin）的变量，即对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行了load和assgin。
- 一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock，执行unlock才能释放
- 如对一个变量执行lock操作，则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初始化变量值
- 如果一个变量没有被lock，则不能执行unlock，也不能unlock其他线程
- 对一个变量执行unlock之前，必须把此变量同步回主内存（执行store、write）
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volatile关键字
- 保证变量对所有线程的可见性
- 禁止指令重排序优化
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指令重排序
指令重排序（Instruction Reorder）——处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的
有数据依赖性则不能进行指令重排序，如下表所示：
| 名称 | 代码示例 | 说明 |
|---|---|---|
| 写后读 | a = 1;b = a; | 写一个变量之后，再读这个位置。 |
| 写后写 | a = 1;a = 2; | 写一个变量之后，再写这个变量。 |
| 读后写 | a = b;b = 1; | 读一个变量之后，再写这个变量。 |
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案例1：volatile自增操作
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案例2：指令重排序优化
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案例3：DCL单例模式
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volatile规则小结
- 在工作内存中，每次使用V前必须从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V做的修改（即read-read-use联动）
- 在工作内存中，每次修改V之后必须立刻同步回主内存，用于保证其他线程可以看到自己对V做的修改（即assign-store-write联动）
- volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码执行顺序与程序顺序相同
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happens-before原则
- 程序次序规则：在一个线程内，按照程序逻辑执行
- 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
- 线程启动规则：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：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测
- 线程中断规则：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
- 对象终结规则：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：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，则A先行发生于操作C
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先行发生原则判断示例
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三大特征
- 原子性
- 可见性
- 有序性
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原子性
- 在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作
- read load assign use store write操作具有原子性
- synchronized同步块也具有原子性
- volatile无法保证原子性
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思考：哪个操作具有原子性
- x = 10
- y = x
- x++
- x = x + 1
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可见性
- volatile可以保证可见性
- synchronized
- final
- this引用逃逸
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有序性
- Java程序中天然的有序性可以总结为：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。前半句指线程内表现为串行的语义——Within Thread As-If-Serial Semantics；后半句指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。
- volatile禁止指令重排序
- synchronized保证线程间操作的有序性
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Java线程
- 线程实现
- 线程调度
- 线程状态
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线程实现方式
- 使用内核线程实现
- 使用用户线程实现
- 使用用户线程加轻量级进程混合实现
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1:1模型
图片摘自《深入理解Java虚拟机》
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1:N模型
图片摘自《深入理解Java虚拟机》
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N:M模型
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Java线程实现方式
- JDK1.2之前，使用用户线程方式实现
- JDK1.2改为基于操作系统原生线程模型实现
- 目前JVM线程的映射方式取决于操作系统支持哪种线程模型，不同平台不一定一致。如Windows、Linux上是一对一实现，即一条Java线程映射到一条轻量级进程中；而Solaris中同时支持一对一及多对多。
- Java语言层是统一的，JVM封装了操作系统的不同
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线程调度方式
协同式线程调度——Cooperative Threads-Scheduling （如Windows 3.x）
抢占式线程调度——Preemptive Threads-Scheduling （线程优先级）
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Java线程状态
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并发编程相关
- sleep
- join
- yield
- wait、notify、notifyAll
- synchronized
- volatile
- Lock
- ThreadLocal
- 同步容器，如Vector、Stack、HashTable
- 并发容器，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList
- 阻塞队列BlockingQueue
- 线程池
- Callable、Future、FutureTask
- ……
参考文献
- 《深入理解Java虚拟机》