并发编程
# Java内存模型（JMM）
# JMM存在的必要性
- 简化多线程编程
- 不需要知道底层细节lock、mesi一致性协议、硬件缓存协议
- 保证程序可移植性
依赖于处理器本身的内存一致性模型，但不同的处理器可能差异很大
屏蔽掉不同操作系统中的内存差异性来保持并发的一致性
- 明确处理器层面，过于泛泛的内存模型定义，各个厂商硬件实现不一样
# JMM结构和工作原理
JMM不同于JVM内存区域模型
# 线程，工作内存，主内存工作交互图（JMM规范）
每个线程创建时 JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间)，用于存储线程私有的数据，而Java 内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行
# 主内存
主要存储的是Java实例对象，所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例 对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)
# 工作内存
- 工作内存是每个 线程的私有数据区域，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信(传值)必 须通过主内存来完成。
- 主要存储当前方法的所有本地变量信息，每个线程只能访问自己的工作内存，对其它线程是不可见的，所以存储在工作内存的数据不存在线程安全问题
- 将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量，工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝
# 主内存与工作内存的数据存储类型以及操作方式
- 方法中包含本地变量是基本数据类型，直接存储在工作内存的帧栈结构，而不放到主内存中
- 本地变量是引用类型，该引用存工作内存帧栈，对象实例将存储在主内存
- 成员变量，不管它是基本数据 类型或者包装类型(Integer、Double等)还是引用类型，都会被存储到主内存
- 两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么两条线程会将要操作 的数据拷贝一份到自己的工作内存中，执行完成操作后才刷新到主内存
# Java内存模型与硬件内存架构的关系
JMM只是一种抽象的概念，不管是工作内存的数据还是主内存的数据，对于计算机硬件来说都会存储在计算机主内存中，也有可能存储到CPU缓存或者寄存器中
# 并发编程的可见性，原子性与有序性问题
3大原则:
- 原子性 一个操作是不可中断的，即使是在多线程环境下，一个操作一旦开始就不 会被其他线程影响。
- 可见性 当一个线程修改了某个共享变量 的值，其他线程是否能够马上得知这个修改的值 编译器优化还是处理器优化的重排现象，在多线程环境下，确实会导致程序轮序执行的问题
- 有序性
- 程序编译成机器码指令后可能会出现指令重排现象，重排后的指令与原指令的顺序未必一致，但是最终执行的结果不变.
# JMM如何解决原子性&可见性&有序性问题
实现3大原则:
- 原子性问题 synchronized和Lock实现原子性
- 可见性问题
- synchronized和Lock也可以保证可见性，因为它们可以保证任一时刻只有一个线程能访问共享资源，并在其释放锁之前将修改的变量刷新到内存中。
- volatile修改的值立即更新到主存中，同时清空其他线程工作内存的值
- UnsafeFactory.getUnsafe().storeFence(); //内存屏障
- Thread.yield(); // 释放时间片，上下文切换 加载上下文：flag=true
- System.out.println(count); // 内存屏障
- LockSupport.unpark(Thread.currentThread()); // 内存屏障
- Thread.sleep(1); //内存屏障
- 总结： Java中可见性如何保证？ 方式归类有两种： jvm层面 storeLoad内存屏障 ; 上下文切换 Thread.yield();
- 有序性问题
- 可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”
- 通过线程同步synchronized和Lock来保证有序性
- 指令重排序
- 目的:: 为了最大限度的 发挥机器性能，适当的对机器指令进行重排序，使机器指令能更符合CPU的执行特性。
- 定义::: 只要程序的最终结果 与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码顺序不一致，此过程叫指令的重排序。
- as-if-serial语义 :: 不管怎么重排序，程序的执行结果不能被改变。
- happens-before 原则
- 多线程间切换
- 之前计算的值从哪来?? 线程切换之前会保存上下文， 再次运行时会还原上下文
- 如何保证从那一行接着执行?? PC计数器记录
# JMM数据同步
# 八大原子操作
- lock(锁定) 作用于主内存的变量，把一个变量标记为一条线程独占状态
- unlock(解锁) 作用于主内存的变量，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，把一个变量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，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎
- assign(赋值) 作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
- store(存储) 作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存 中，以便随后的write的操作
- write(写入) 作用于工作内存的变量，它把store操作从工作内存中的一个变量的值 传送到主内存的变量中
# 流程
如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存中，就需要按顺序地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步到主内存中，就需要按顺序地执行store和write操作。但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须连续执行。
# 同步规则分析
- 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或者assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先自行 assign和load操作。
- 一个变量在同一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。lock和unlock必须成对出现。
- 如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个 变量之前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
- 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去 unlock一个被其他线程锁定的变量。如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去 unlock一个被其他线程锁定的变量。 volatile就是加了lock，来保证可见性的
- 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write 操作）
# 临界区
一个程序运行多个线程本身是没有问题的。
当多个线程执行一个方法时，该方法内部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量是在每个线程的 私有栈中，因此不具有共享性，不会导致线程安全问题。
问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区，其共享资源为临界资源
# 竞态条件
多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的：
- 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
- 非阻塞式的解决方案：原子变量cas
注意：
虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：
互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点
# volatile内存语义
# 作用
- volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制（也算是可见性吧）
- 保证被volatile修饰的共享变量对所有线程总数可见的，也就是当一个线程修改 了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总是可以被其他线程立即得知。
- 禁止指令重排序优化。
# volatile的可见性
# volatile无法保证原子性
# 指令重排序
为了充分利用CPU，会通过流水线将指令并行进行。为了能并行执行，又需要将指令进行重排序以便进行并行执行，以确保时间局部性原理，来利用cpu缓存。
# volatile禁止重排优化
这也是单例双重检测必须加他的原因，不加他可能会出现获得的对象属性是空的问题...
# 内存语义的实现
- volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后
- volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
# 硬件层的内存屏障
- 保证特定操作的执行顺序
- 保证某些变量的内存可见性
- Memory Barrier的另外一个作用 是强制刷出各种CPU的缓存数据
# 参考资料
java内存屏障的原理与应用 (opens new window)
volatile实现内存可见性分析：字节码版本 (opens new window)
字节码： putstatic
volatile编译后JVM 会加上ACC_VOLATILE标识 putstatic字节码指令的解释器里面会使用C++的方法自带了编译器屏障的功能，总能拿到内存中的最新值。 在JVM 种通过acquire()方法实现内存屏障，最终还是反应到了内存屏障
关于java单例中使用使用volatile写双重检验锁的一点疑问？ (opens new window)
instance = new Singleton()不是原子操作，这段代码可以简单分为下面三步执行：
为 instance 分配内存空间;
初始化 instance;
将 instance 指向分配的内存地址
由于但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 a 执行了 1 和 3，此时 线程 b 调用 getSingleton() 后发现 instance 不为空，因此返回 instance，但此时 instance 还未被初始化，所以就会导致空指针异常。