Java内存模型与线程

本文主要内容

• 主内存与工作内存

• volatile关键字

• 线程状态转换

与线程相关的内容，本博已经说过不少，本文着重阐述以前没有提及的内容

主内存与工作内存

在物理机上，“高效并发”并没有那么容易实现。因为任务不可能只依赖于处理器计算完成，至少与内存的交互很难消除。而内存设备与处理器的运算速度之间有着几个数据级的差距，所以现代计算机都添加高速缓存作为内存和处理器之间的缓冲。

内存将数据复制到缓存当中，当运算结束后再从缓存中同步回内存中。

值得一提的是，为了使处理器的运算单元被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行，不过处理器会保证该结果与顺序执行的结果是一致的。

Java虚拟机为了屏蔽硬件差异，也设计了一套内存模型。

主内存：Java模型规定了所有的变量都存储在主内存中（与物理机中的内存对应，但仅是虚拟机内存的一部分）

工作内存：每条线程有自己的工作内存（可以物理机中的高速缓存类比），工作线程保存了变量的主内存副本拷贝

线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存的变量，不同线程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

Java内存模型定义了以下八种操作：

• lock（锁定）：作用于主内存变量，它把一个变量标识为一条线程独占状态

• unlock（解锁）：作用于主内存变量，释放处于锁定状态的变量，释放后的变量才可被其它线程使用

• read（读取）：作用于主内存的变量，它把变量值从主内存传输到工作内存中

• load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作的变量值放入工作内存的副本中

• use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中变量的值传递给执行引擎

• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把从执行引擎收到的值赋值给工作内存的变量

• store（存储）：作用于工作内存变量，它把工作内存中变量值传递到主内存中

• 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值放入主内存中

volatile关键字

当一个变量被定义成volatile时，它具备两个特性，第1是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，新值对于其它线程立即可见，普通变量不行，因为要通过主内存才能知道），第2是禁止指令重排序优化，意思就是代码执行顺序和代码本身顺序一致。

虽然volatile变量可保证可见性，但它并不一定都是并发安全的。

public static volatile int race = 0; public static void increase(){     race++; } public static void main(String[] args) {     Thread[] threads = new Thread[20];     for (int i = 0; i < threads.length; i++) {         threads[i] = new Thread(){             public void run() {                 for (int j = 0; j < 10000; j++) {                     increase();                 }             }         };         threads[i].start();     }     while (Thread.activeCount() > 1) {         Thread.yield();     }     System.out.println(race); }

上述代码运行结果始终少于200000，得不到正确的运行结果。

我们直接查看javap内容，有助于理解

当getstatic指令把race值取到栈顶时，volatile关键字保证了race值此时是正确的，但在执行iconst_1、add这些指令的时候，其它线程可能已经把race值加大了，而在操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存当中了。

volatile在如下两种情况下适合使用：

• 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能确保只有单一线程修改变量的值

• 变量不需要与其它的状态变量共同参与不变约束

线程状态转换

Java中一共定义了5种线程状态：

• 新建（new）：创建后尚未启动的线程处理这种状态

• 运行（runnable）：runnable包括了操作线程线程状态中的Running和Ready，也就是处理此状态的线程有可能正在执行，也有可能正在等待CPU为它分配执行时间

• 无限期等待（waiting）：处理这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被其它线程显示地唤醒，没有设置timeout参数的 Object.wait()和Object.join()方法，会让线程陷入无限等待状态

• 期限等待（timed waiting）：处理这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，不过无须等待其它线程唤醒，一定时间后它们会由系统自动唤醒

• 阻塞（blocked）：线程被阻塞，阻塞和等待的区别是：阻塞状态在等待着获取到一个排它锁，这个事件在另外一个线程放弃这外锁的时候发生。而等待状态则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。

• 结束：已终止线程的状态，线程已经执行结束

作者：某昆

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