zhb8015

 不同的平臺，內存模型是不一樣的，但是jvm的內存模型規(guī)范是統(tǒng)一的。其實java的多線程并發(fā)問題最終都會反映在java的內存模型上，所謂線程安全無非是要控制多個線程對某個資源的有序訪問或修改。總結java的內存模型，要解決兩個主要的問題：可見性和有序性。
我們都知道計算機有高速緩存的存在，處理器并不是每次處理數(shù)據都是取內存的。JVM定義了自己的內存模型，屏蔽了底層平臺內存管理細節(jié)，對于java開發(fā)人員，要清楚在jvm內存模型的基礎上，如果解決多線程的可見性和有序性。
       那么，何謂可見性？ 多個線程之間是不能互相傳遞數(shù)據通信的，它們之間的溝通只能通過共享變量來進行。Java內存模型（JMM）規(guī)定了jvm有主內存，主內存是多個線程共享的。當new一個對象的時候，也是被分配在主內存中，每個線程都有自己的工作內存，工作內存存儲了主存的某些對象的副本，當然線程的工作內存大小是有限制的。當線程操作某個對象時，執(zhí)行順序如下：
 (1) 從主存復制變量到當前工作內存 (read and load)
 (2) 執(zhí)行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
 (3) 用工作內存數(shù)據刷新主存相關內容 (store and write)

JVM規(guī)范定義了線程對主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。當一個共享變量在多個線程的工作內存中都有副本時，如果一個線程修改了這個共享變量，那么其他線程應該能夠看到這個被修改后的值，這就是多線程的可見性問題。
        那么，什么是有序性呢 ？線程在引用變量時不能直接從主內存中引用,如果線程工作內存中沒有該變量,則會從主內存中拷貝一個副本到工作內存中,這個過程為read-load,完 成后線程會引用該副本。當同一線程再度引用該字段時,有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本 (use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實現(xiàn)系統(tǒng)決定。
        線程不能直接為主存中中字段賦值，它會將值指定給工作內存中的變量副本(assign),完成后這個變量副本會同步到主存儲區(qū)(store- write)，至于何時同步過去，根據JVM實現(xiàn)系統(tǒng)決定.有該字段,則會從主內存中將該字段賦值到工作內存中,這個過程為read-load,完成后線 程會引用該變量副本，當同一線程多次重復對字段賦值時,比如：

Java代碼  

1. for(int i=0;i<10;i++)   
2.  a++;  

線程有可能只對工作內存中的副本進行賦 值,只到最后一次賦值后才同步到主存儲區(qū)，所以assign,store,weite順序可以由JVM實現(xiàn)系統(tǒng)決定。假設有一個共享變量x，線程a執(zhí)行 x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個原子操作，它的執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內存
2 給x加1
3 將x加1后的值寫回主 存
如果另外一個線程b執(zhí)行x=x-1，執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內存
2 給x減1
3 將x減1后的值寫回主存
那么顯然，最終的x的值是不可靠的。假設x現(xiàn)在為10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是為10，但是多線程情況下會有這種情況發(fā)生：
1：線程a從主存讀取x副本到工作內存，工作內存中x值為10
2：線程b從主存讀取x副本到工作內存，工作內存中x值為10
3：線程a將工作內存中x加1，工作內存中x值為11
4：線程a將x提交主存中，主存中x為11
5：線程b將工作內存中x值減1，工作內存中x值為9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x為9
同樣，x有可能為11，如果x是一個銀行賬戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴重問題的，要解決這個問題，必須保證線程a和線程b是有序執(zhí)行的，并且每個線程執(zhí)行的加1或減1是一個原子操作。看看下面代碼：

Java代碼  

1. public class Account {   
2.   
3.     private int balance;   
4.   
5.     public Account(int balance) {   
6.         this.balance = balance;   
7.     }   
8.   
9.     public int getBalance() {   
10.         return balance;   
11.     }   
12.   
13.     public void add(int num) {   
14.         balance = balance + num;   
15.     }   
16.   
17.     public void withdraw(int num) {   
18.         balance = balance - num;   
19.     }   
20.   
21.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {   
22.         Account account = new Account(1000);   
23.         Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");   
24.         Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");   
25.         a.start();   
26.         b.start();   
27.         a.join();   
28.         b.join();   
29.         System.out.println(account.getBalance());   
30.     }   
31.   
32.     static class AddThread implements Runnable {   
33.         Account account;   
34.         int     amount;   
35.   
36.         public AddThread(Account account, int amount) {   
37.             this.account = account;   
38.             this.amount = amount;   
39.         }   
40.   
41.         public void run() {   
42.             for (int i = 0; i < 200000; i++) {   
43.                 account.add(amount);   
44.             }   
45.         }   
46.     }   
47.   
48.     static class WithdrawThread implements Runnable {   
49.         Account account;   
50.         int     amount;   
51.   
52.         public WithdrawThread(Account account, int amount) {   
53.             this.account = account;   
54.             this.amount = amount;   
55.         }   
56.   
57.         public void run() {   
58.             for (int i = 0; i < 100000; i++) {   
59.                 account.withdraw(amount);   
60.             }   
61.         }   
62.     }   
63. }  

第一次執(zhí)行結果為10200，第二次執(zhí)行 結果為1060，每次執(zhí)行的結果都是不確定的，因為線程的執(zhí)行順序是不可預見的。這是java同步產生的根源，synchronized關鍵字保證了多個 線程對于同步塊是互斥的，synchronized作為一種同步手段，解決java多線程的執(zhí)行有序性和內存可見性，而volatile關鍵字之解決多線 程的內存可見性問題。后面將會詳細介紹。

synchronized關鍵字
        上面說了，java用synchronized關鍵字做為多線程并發(fā)環(huán)境的執(zhí)行有序性的保證手段之一。當一段代碼會修改共享變量，這一段代碼成為互斥區(qū)或臨界區(qū)，為了保證共享變量的正確性，synchronized標示了臨界區(qū)。典型的用法如下：

Java代碼  

1. synchronized(鎖){   
2.      臨界區(qū)代碼   
3. }   

為了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：

Java代碼  

1. public synchronized void add(int num) {   
2.      balance = balance + num;   
3. }   
4. public synchronized void withdraw(int num) {   
5.      balance = balance - num;   
6. }  

剛才不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：

Java代碼  

1. synchronized(鎖){   
2. 臨界區(qū)代碼   
3. }  

那么對于public synchronized void add(int num)這種情況，意味著什么呢？其實這種情況，鎖就是這個方法所在的對象。同理，如果方法是public  static synchronized void add(int num)，那么鎖就是這個方法所在的class。
        理論上，每個對象都可以做為鎖，但一個對象做為鎖時，應該被多個線程共享，這樣才顯得有意義，在并發(fā)環(huán)境下，一個沒有共享的對象作為鎖是沒有意義的。假如有這樣的代碼：

Java代碼  

1. public class ThreadTest{   
2.   public void test(){   
3.      Object lock=new Object();   
4.      synchronized (lock){   
5.         //do something   
6.      }   
7.   }   
8. }  

lock變量作為一個鎖存在根本沒有意義，因為它根本不是共享對象，每個線程進來都會執(zhí)行Object lock=new Object();每個線程都有自己的lock，根本不存在鎖競爭。
        每個鎖對象都有兩個隊列，一個是就緒隊列，一個是阻塞隊列，就緒隊列存儲了將要獲得鎖的線程，阻塞隊列存儲了被阻塞的線程，當一個被線程被喚醒 (notify)后，才會進入到就緒隊列，等待cpu的調度。當一開始線程a第一次執(zhí)行account.add方法時，jvm會檢查鎖對象account 的就緒隊列是否已經有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經被占用了，由于是第一次運行，account的就緒隊列為空，所以線程a獲得了鎖， 執(zhí)行account.add方法。如果恰好在這個時候，線程b要執(zhí)行account.withdraw方法，因為線程a已經獲得了鎖還沒有釋放，所以線程 b要進入account的就緒隊列，等到得到鎖后才可以執(zhí)行。
一個線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼過程如下：
1 獲得同步鎖
2 清空工作內存
3 從主存拷貝變量副本到工作內存
4 對這些變量計算
5 將變量從工作內存寫回到主存
6 釋放鎖
可見，synchronized既保證了多線程的并發(fā)有序性，又保證了多線程的內存可見性。


生產者/消費者模式
        生產者/消費者模式其實是一種很經典的線程同步模型，很多時候，并不是光保證多個線程對某共享資源操作的互斥性就夠了，往往多個線程之間都是有協(xié)作的。
        假設有這樣一種情況，有一個桌子，桌子上面有一個盤子，盤子里只能放一顆雞蛋，A專門往盤子里放雞蛋，如果盤子里有雞蛋，則一直等到盤子里沒雞蛋，B專門 從盤子里拿雞蛋，如果盤子里沒雞蛋，則等待直到盤子里有雞蛋。其實盤子就是一個互斥區(qū)，每次往盤子放雞蛋應該都是互斥的，A的等待其實就是主動放棄鎖，B 等待時還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動釋放鎖
很簡單，調用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的，所以任意對象都有這個方法。看這個代碼片段：

Java代碼  

1. Object lock=new Object();//聲明了一個對象作為鎖   
2.    synchronized (lock) {   
3.        balance = balance - num;   
4.        //這里放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了   
5.        lock.wait();   
6. }  

如果一個線程獲得了鎖lock，進入了同步塊，執(zhí)行l(wèi)ock.wait()，那么這個線程會進入到lock的阻塞隊列。如果調用 lock.notify()則會通知阻塞隊列的某個線程進入就緒隊列。
聲明一個盤子，只能放一個雞蛋

Java代碼  

1. import java.util.ArrayList;   
2. import java.util.List;   
3.   
4. public class Plate {   
5.   
6.     List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();   
7.   
8.     public synchronized Object getEgg() {   
9.         if (eggs.size() == 0) {   
10.             try {   
11.                 wait();   
12.             } catch (InterruptedException e) {   
13.             }   
14.         }   
15.   
16.         Object egg = eggs.get(0);   
17.         eggs.clear();// 清空盤子   
18.         notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列   
19.         System.out.println("拿到雞蛋");   
20.         return egg;   
21.     }   
22.   
23.     public synchronized void putEgg(Object egg) {   
24.         if (eggs.size() > 0) {   
25.             try {   
26.                 wait();   
27.             } catch (InterruptedException e) {   
28.             }   
29.         }   
30.         eggs.add(egg);// 往盤子里放雞蛋   
31.         notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列   
32.         System.out.println("放入雞蛋");   
33.     }   
34.        
35.     static class AddThread extends Thread{   
36.         private Plate plate;   
37.         private Object egg=new Object();   
38.         public AddThread(Plate plate){   
39.             this.plate=plate;   
40.         }   
41.            
42.         public void run(){   
43.             for(int i=0;i<5;i++){   
44.                 plate.putEgg(egg);   
45.             }   
46.         }   
47.     }   
48.        
49.     static class GetThread extends Thread{   
50.         private Plate plate;   
51.         public GetThread(Plate plate){   
52.             this.plate=plate;   
53.         }   
54.            
55.         public void run(){   
56.             for(int i=0;i<5;i++){   
57.                 plate.getEgg();   
58.             }   
59.         }   
60.     }   
61.        
62.     public static void main(String args[]){   
63.         try {   
64.             Plate plate=new Plate();   
65.             Thread add=new Thread(new AddThread(plate));   
66.             Thread get=new Thread(new GetThread(plate));   
67.             add.start();   
68.             get.start();   
69.             add.join();   
70.             get.join();   
71.         } catch (InterruptedException e) {   
72.             e.printStackTrace();   
73.         }   
74.         System.out.println("測試結束");   
75.     }   
76. }  

  執(zhí)行結果：

Html代碼  

1. 放入雞蛋   
2. 拿到雞蛋   
3. 放入雞蛋   
4. 拿到雞蛋   
5. 放入雞蛋   
6. 拿到雞蛋   
7. 放入雞蛋   
8. 拿到雞蛋   
9. 放入雞蛋   
10. 拿到雞蛋   
11. 測試結束  

聲明一個Plate對象為plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設
1 開始，A調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()為0，因此順利將雞蛋放到盤子，還執(zhí)行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列還沒有線程。
2 又有一個A線程對象調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()不為0，調用wait()方法，自己進入了鎖對象的阻塞隊列。
3 此時，來了一個B線程對象，調用plate.getEgg方法，eggs.size()不為0，順利的拿到了一個雞蛋，還執(zhí)行了notify()方法，喚 醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列有一個A線程對象，喚醒后，它進入到就緒隊列，就緒隊列也就它一個，因此馬上得到鎖，開始往盤子里放雞蛋，此時盤子是 空的，因此放雞蛋成功。
4 假設接著來了線程A，就重復2；假設來料線程B，就重復3。
整個過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。

volatile關鍵字
       volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級的同步，為什么這么說，因為volatile只能保證多線程的內存可見性，不能保證多線程的執(zhí)行有序性。而 最徹底的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，都不拷貝副本到工作內存，任何修改都及時寫在主 存。因此對于Valatile修飾的變量的修改，所有線程馬上就能看到，但是volatile不能保證對變量的修改是有序的。什么意思呢？假如有這樣的代 碼：

Java代碼  

1. public class VolatileTest{   
2.   public volatile int a;   
3.   public void add(int count){   
4.        a=a+count;   
5.   }   
6. }  

        當一個VolatileTest對象被多個線程共享，a的值不一定是正確的，因為a=a+count包含了好幾步操作，而此時多個線程的執(zhí)行是無序的，因為沒有任何機制來保證多個線程的執(zhí)行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對a的修改，都會馬上被其他線程讀取到，因為直接操作主存，沒有線程對工作內存和主存的同步。所以，volatile的使用場景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時滿足下面兩個條件:
1)對變量的寫操作不依賴于當前值。
2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
volatile只保證了可見性，所以Volatile適合直接賦值的場景，如

Java代碼  

1. public class VolatileTest{   
2.   public volatile int a;   
3.   public void setA(int a){   
4.       this.a=a;   
5.   }   
6. }  

在沒有volatile聲明時，多線程環(huán) 境下，a的最終值不一定是正確的，因為this.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，這個順序可能被打亂。如果用volatile聲明了，讀 取主存副本到工作內存和同步a到主存的步驟，相當于是一個原子操作。所以簡單來說，volatile適合這種場景：一個變量被多個線程共享，線程直接給這個變量賦值。這是一種很簡單的同步場景，這時候使用volatile的開銷將會非常小。站內很多人都問我，所謂線程的“工作內存”到底是個什么東西？有的人認為是線程的棧，其實這種理解是不正確的。看看JLS（java語言規(guī)范）對線程工作內存的描述，線程的working memory只是cpu的寄存器和高速緩存的抽象描述。

      可能 很 多人都覺得莫名其妙，說JVM的內存模型，怎么會扯到cpu上去呢？在此，我認為很有必要闡述下，免得很多人看得不明不白的。先拋開java虛擬機不談， 我們都知道，現(xiàn)在的計算機，cpu在計算的時候，并不總是從內存讀取數(shù)據，它的數(shù)據讀取順序優(yōu)先級是：寄存器－高速緩存－內存。線程耗費的是CPU，線程 計算的時候，原始的數(shù)據來自內存，在計算過程中，有些數(shù)據可能被頻繁讀取，這些數(shù)據被存儲在寄存器和高速緩存中，當線程計算完后，這些緩存的數(shù)據在適當?shù)?時候應該寫回內存。當個多個線程同時讀寫某個內存數(shù)據時，就會產生多線程并發(fā)問題，涉及到三個特性：原子性，有序性，可見性。在《線程安全總結》這篇文章 中，為了理解方便，我把原子性和有序性統(tǒng)一叫做“多線程執(zhí)行有序性”。支持多線程的平臺都會面臨這種問題，運行在多線程平臺上支持多線程的語言應該提供解 決該問題的方案。

       那么，我們看看JVM，JVM是一個虛擬的計算機，它也會面臨多線程并發(fā)問題，java程序運行在java虛擬機平臺上，java程序員不可能直接去控制底層線程對寄存器高速緩存內存之間的同步，那么java從語法層面，應該給開發(fā)人員提供一種解決方案，這個方案就是諸如 synchronized, volatile,鎖機制（如同步塊，就緒隊列，阻塞隊列）等等。這些方案只是語法層面的，但我們要從本質上去理解它，不能僅僅知道一個 synchronized 可以保證同步就完了。   在這里我說的是jvm的內存模型，是動態(tài)的，面向多線程并發(fā)的，沿襲JSL的“working memory”的說法，只是不想牽扯到太多底層細節(jié)，因為 《線程安全總結》這篇文章意在說明怎樣從語法層面去理解java的線程同步，知道各個關鍵字的使用場景。

      今 天有人問我，那java的線程不是有棧嗎？難道棧不是工作內存嗎？工作內存這四個字得放到具體的場景中描述，方能體現(xiàn)它具體的意義，在描述JVM的線程同 步時，工作內存指的是寄存器和告訴緩存的抽象描述，具體請自行參閱JLS。上面講的都是動態(tài)的內存模型，甚至已經超越了JVM的范圍，那么JVM的內存靜 態(tài)存儲是怎么劃分的？今天還有人問我，jvm的內存模型不是有eden區(qū)嗎？也不見你提起。我跟他說，這是兩個角度去看的，甚至是兩個不同的范圍，動態(tài)的 線程同步的內存模型，涵蓋了cpu，寄存器，高速緩存，內存；JVM的靜態(tài)內存儲模型只是一種對內存的物理劃分而已，它只局限在內存，而且只局限在JVM 的內存。那些什么線程棧，eden區(qū)都僅僅在JVM內存。

      說說JVM的線程棧和有個朋友反復跟我糾結的eden區(qū)吧。JVM的內存，被劃分了很多的區(qū)域：

1.程序計數(shù)器
每一個Java線程都有一個程序計數(shù)器來用于保存程序執(zhí)行到當前方法的哪一個指令。
2.線程棧
線 程的每個方法被執(zhí)行的時候，都會同時創(chuàng)建一個幀（Frame）用于存儲本地變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出入口等信息。每一個方法的調用至完成，就意味 著一個幀在VM棧中的入棧至出棧的過程。如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果VM棧可以 動態(tài)擴展（VM Spec中允許固定長度的VM棧），當擴展時無法申請到足夠內存則拋出OutOfMemoryError異常。
3.本地方法棧
4.堆
每 個線程的棧都是該線程私有的，堆則是所有線程共享的。當我們new一個對象時，該對象就被分配到了堆中。但是堆，并不是一個簡單的概念，堆區(qū)又劃分了很多 區(qū)域，為什么堆劃分成這么多區(qū)域，這是為了JVM的內存垃圾收集，似乎越扯越遠了，扯到垃圾收集了，現(xiàn)在的jvm的gc都是按代收集，堆區(qū)大致被分為三大 塊：新生代，舊生代，持久代（虛擬的）；新生代又分為eden區(qū)，s0區(qū)，s1區(qū)。新建一個對象時，基本小的對象，生命周期短的對象都會放在新生代的 eden區(qū)中，eden區(qū)滿時，有一個小范圍的gc（minor gc），整個新生代滿時，會有一個大范圍的gc（major gc），將新生代里的部分對象轉到舊生代里。
5.方法區(qū)
其 實就是永久代（Permanent Generation），方法區(qū)中存放了每個Class的結構信息，包括常量池、字段描述、方法描述等等。VM Space描述中對這個區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內存，也可以選擇固定大小或者可擴展外，甚至可以選擇不實現(xiàn)垃圾收集。相對 來說，垃圾收集行為在這個區(qū)域是相對比較少發(fā)生的，但并不是某些描述那樣永久代不會發(fā)生GC（至 少對當前主流的商業(yè)JVM實現(xiàn)來說是如此），這里的GC主要是對常量池的回收和對類的卸載，雖然回收的“成績”一般也比較差強人意，尤其是類卸載，條件相 當苛刻。
6.常量池
 Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量表(constant_pool table)，用于存放編譯期已可知的常量，這部分內容將在類加載后進入方法區(qū)（永久代）存放。但是Java語言并不要求常量一定只有編譯期預置入 Class的常量表的內容才能進入方法區(qū)常量池，運行期間也可將新內容放入常量池（最典型的String.intern()方法）。

關于垃圾收集，在此不多說，流到垃圾收集那一章再 詳細說吧。關于java的同步，其實還有基于CPU原語的比較并交換的非阻塞算法（CAS），不過這個在java的并發(fā)包里已經實現(xiàn)了很多，因此關于這 點，就留到java并發(fā)包那一章介紹吧。后面我會專門寫一篇文章，JVM內存與垃圾收集。