JVM笔记系列索引
《深入理解Java虚拟机》 学习笔记(一)——JVM内存结构
《深入理解Java虚拟机》 学习笔记(二)——垃圾回收
《深入理解Java虚拟机》 学习笔记(三)——类文件结构
《深入理解Java虚拟机》 学习笔记(四)——类加载机制与JVM优化
《深入理解Java虚拟机》 学习笔记(五.终章)——Java内存模型与线程安全/优化
Java内存模型
JVM定义了一种Java内存模型以消除各种硬件和操作系统的内存访问差异，保证Java程序的跨平台性。
主内存和工作内存
所有的变量存储在主内存，每个线程有自己的工作内存，保存了被这个线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都在对应工作内存进行。
主内存和工作内存与第一篇的内存结构不是一个层面上的概念，主内存主要对应Java堆的对象实例数据，工作内存主要对应虚拟机栈的部分区域，而且工作内存可能优先存储与寄存器和高速缓存中。
内存操作
Java内存模型规定了8种内存操作：
- lock锁定，将变量表示为某线程独占；
- unlock解锁，将变量的lock状态借出，执行后才能被其他线程lock；
- read读取，将变量的值从主内存中读取，准备load；
- load载入，必须先进行read，将read到的数据放入工作内存的变量副本；
- use使用，将工作内存的变量的值传递给执行引擎；
- assign赋值，接收执行引擎的值付给工作内存的变量；
- store存储，将变量的值从工作内存读取，准备write；
- write写入，必须先进行store，将store到的数据放入主内存对应变量。
此外规定了对应的一些规则，如read、load和store、write不能单独出现，assign后的变量必须同步回主内存，没有assign的变量不能同步回注内存等等。
volatile变量
volatile声明能保证变量对所有线程可见性，即一个线程修改了变量的值，其他线程立即得知新的值。但由于Java操作并非全是原子操作，所以volatile变量在并发下不能保证线程安全。例如++操作，对应字节码为4个指令，大致可分为读值/加一/写入等步骤，volatile关键值只能保证在取值放入操作栈顶的时候是最新的值，此后的操作之前可能其他线程已经修改了变量的值，就会导致线程安全问题。
适合使用volatile的情况有：
- 运算结果不依赖变量的当前值，或者只有单一线程修改变量的值；
- 变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束。
volatile关键字还能禁止指令重排优化，普通变量只能保证依赖赋值结果的地方都获得正确结果，但不能保证赋值操作的顺序与代码一致。volatile关键字可以避免多线程情况下，代码执行顺序被重排导致的一些错误。
volatile变量的读操作性能与普通变量基本无差别，写操作可能慢一些，总体开销比锁小。
在Java内存模型层面上来看，volatile变量要求load操作和use操作必须连续一起出现，assign和store操作也必须连续一起出现，即每次使用volatile变量前必须从主内存刷新最新的值，每次修改volatile变量之后必须立刻同步到主内存。
long和double变量
没有被volatile修饰的64位数据（long和double）的读写操作划分位两次32位操作，不能保证其操作的原子性。但实际目前商用JVM基本都把64位数据的读写操作作为原子操作。
Java线程
Java线程实现
一般来说线程有3种实现方法：
- 使用内核线程：使用操作系统内核的轻量级进程（LWP），每个轻量级进程与一个内核线程一一对应，一对一。缺点是代价较高，在内核态和用户态之间来回切换，并消耗内核资源，操作系统支持的轻量级进程数量有限；
- 使用用户线程：用户线程建立在用户空间的线程库上，其建立、同步、销毁、调度完全在用户态完成，不需要内核帮助，一对多。因此快速且低消耗，支持更大的线程数量。缺点是实现复杂，很多问题需要考虑实现；
- 用户线程+轻量级进程：以上两者的混合，多対多。
JDK1.2之前使用用户线程实现，JDK1.2开始替换为基于操作系统原生线程模型实现。对Sun JDK而言，Windows和Linux版都是一对一线程模型，一条Java线程映射到一条轻量级进程，Solaris中支持一对一和多対多。
Java线程调度
线程调度方式分为协同式和抢占式。协同式(Cooperative)指线程执行时间由线程自身控制，执行完完成后主动通知系统切换线程；抢占式(Preemptive)指由系统统一分配每个线程的执行时间，线程自身不能决定线程切换。Java使用抢占式。
Java线程安全
线程安全等级
按由强至弱分为以下5种：
- 不可变：基本数据类型加final修饰，对象则保证其行为不影响其状态。注意AtomicInteger和AtomicLong并非不可变，这样的设计应该是考虑到线程访问外部变量需要final，但有时候需要可变的数，于是有了这些类；
- 绝对线程安全：不需要任何额外的同步措施，即可实现线程安全。Java API标注线程安全的类很多并不是绝对线程安全；
- 相对线程安全：通常意义上的线程安全，指保证对象单独的操作是线程安全的，但不保证任何顺序连续调用都能保证线程安全/正确性；
- 线程兼容：通常意义上的线程不安全，指对象本身并不线程安全，但可以通过同步手段保证在并发环境下安全、准确；
- 相互层对立：无论是否采取同步手段，都无法在多线程环境下并发使用。极少出现，比如Thread类的suspend()和resume()方法，如果两个线程同时持有同一个线程对象，同时分别去中断及恢复线程，中断的是进行恢复操作的线程，那么就会产生死锁。
线程安全实现方法
包括以下几种：
- 互斥同步：保证共享数据同一时刻制备一个线程使用。Java最基本的互斥同步手段是sychronized关键字，编译后在同步块前后形成monitorenter和monitorexit两个字节码指令，需要一个reference类型参数来指定锁定/解锁的对象；执行monitorenter指令时，先尝试获取锁，如果锁对象没被锁定或者当前线程已经拥有这个锁，那么锁的计数器加一，并进入代码块，到monitorexit指令执行时则计数器减一，到计数器为0时释放锁。也就是说sychronized对同个线程而言是可重入的，不会自己把自己死锁。但阻塞或唤醒线程开销都比较大，需要切换用户态/内核态，因此sychronized是重量级操作。还可以使用ReentrantLock实现同步，相比sychronized，有等待可中断、公平锁、绑定多条件(Condition)等功能。JDK1.6之后sychronized与ReentrantLock性能基本持平。
- 非阻塞同步：先进行操作，没有其他线程争用共享数据则操作成功，否则产生冲突，则采取补偿措施（比如不断重试），基于处理器的一些新指令实现，如Compare-and-Swap（比较并交换，CAS），用户程序不能直接调用，但AtomicInteger等类使用到了。
- 无同步方案：如可重入代码（可以在代码执行的任何时刻中断，去执行别的代码，再返回继续执行而不出现错误），线程本地存储（Thread Local Storage）。
Java锁优化
JDK1.6开始引入了许多高效并发优化，实现了各种锁优化技术：
- 自旋锁与自适应锁：自旋锁即多个线程请求锁，若持有锁的线程很快会释放锁的话，让其他线程在其他CPU内核执行忙循环（自旋），而不是来回切换挂起/恢复线程，减少开销。自适应锁就是自旋时间由前一次在同一个锁上自旋时间、以及锁的拥有者状态决定自旋时间的自旋锁。
- 锁消除：根据逃逸分析结果，判定代码对应堆中数据都不会逃逸的话，可以认为是线程私有的数据，就可以不加同步锁，提高效率。
- 锁粗化：如果一系列连续操作都对同一个对象反复加锁解锁，甚至是循环体内加锁，那么频繁进行互斥同步操作会导致不必要的性能损耗，可以将锁的范围扩大，即称为锁粗化。
- 轻量级锁：在无竞争的情况下使用CAS操作消除同步的互斥量
- 偏向锁：锁偏向第一个获取该锁的线程，如果执行过程中锁没有被其他线程获取，那么持有偏向锁的线程无需同步；如果有其他线程尝试获取该锁，那么结束偏向模式。