JVM 系列内存模型

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层实现。

基本特性

Java 内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的。

原子性

Java内存模型直接保证的原子性变量操作包括：read\load\assign\use\store\write

synchronized同步块之间的操作也具备原子性

可见性

指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。

volatile 的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此volatile保证了多线程操作时变量的可见性。
synchronized 同步块的可见性体现在对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中
final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，其他线程就能看到final 字段的值。

有序性

如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的。如果在一个线程内观察另一个线程，所有的操作都是无序的（指令重排序、工作内存与主内存同步延迟导致）。

volatile 包含了禁止指令重排序的语义。
synchronized由一个变量在同一个时刻只允许一条线程在其进行lock操作这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

主内存和工作内存

jvm Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存。线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝

8 种操作 + 8 个规则 + volatile = JMM

Java内存模型中定义了8种操作来完成主内存和工作内存间的交互，虚拟机实现时保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可分割的：

lock：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一个线程独占的状态。
unlock：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能被其他线程锁定
read：作用于主内存的变量，它把一个变量的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：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到工作内存的变量副本中
use：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作
assign：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
store：作用于工作内存的变量，它把工作内存的变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用
write：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的值放入主内存的变量中

Java内存模型还规定了在执行上述 8种基本操作时必须满足如下规则：

不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许出现从主内存读取了而工作内存不接受，或者从工作内存回写了但主内存不接受的情况出现；
不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存变化了必须把该变化同步回主内存；
不允许一个线程无原因地（即未发生过assign操作）把一个变量从工作内存同步回主内存；
一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）过的变量，换句话说就是对一个变量的use和store操作之前必须执行过load和assign操作；
一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一个线程执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才能被解锁。
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；
如果一个变量没有被lock操作锁定，则不允许对其执行unlock操作，也不允许unlock一个其它线程锁定的变量；
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中，即执行store和write操作；

volatile

Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，JMM 对 volatile专门定义了一些特殊的访问规则。当一个变量定义为volatile时，它将具备两种特性：

保证此变量对所有线程的可见型。即当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来说是可以立即得知的。
禁止指令重排序优化。有volatile修饰的变量，赋值后

普通变量和volatile变量的区别是：volatile 的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此volatile保证了多线程操作时变量的可见性。

volatile 变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题（每次使用之前都要先刷新），但不能保证原子性，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的

long 和 double的非原子协定

允许JVM将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行。即允许JVM实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性，即long 和double的非原子协定。

商用JVM中选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待

happen-before规则

是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的重要依据。

先行发生是 Java 内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。如果说操作A先行发生于操作B，即表示发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到。

Java内存模型的默认的先行发生关系：

程序次序规则：按照程序代码顺序，写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。
管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于之后对同一个锁的lock操作
线程启动规则：thread对象的start操作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。可通过thread.join和thread.isAlive等手段来检测线程已经终止执行
线程中断规则：对线程interrept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，可以通过thread.interrepted()方法检测到会否有中断发生。
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，那就可以得出操作A先行发生于操作C。

如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从规则中推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。

Java线程

线程是比进程更轻量级的调度执行单元。各个线程既可以共享进程资源，又可以独立调度。

在Java API中，一个native方法往往意味着这个方法没有使用或无法使用平台无关的手段来实现。

Java线程调度

是指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要调度方式分两种：

协同式线程调度：线程的执行时间由线程本身来控制。
抢占式线程调度：每个线程将由系统来分配执行时间。Java使用的线程调度方式就是抢占式调度

状态转换

jvm Java语言定义了 5种线程状态，在任意一个时间点，一个线程有且只有一种状态：

新建：创建后尚未启动
运行（runable）：runable包括了操作系统线程状态中的running和ready
无限期等待（waiting）：等待被其它线程显示的唤醒：
- 没有设置timeout的Object.wait()方法
- 没有设置timeout的thread.join()方法
- LockSupport.park()方法
限时等待（timed waiting）：无须等待被其他线程显式的唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒：
- thread.sleep()
- 设置了timeout的Object.wait()方法
- 设置了timeout的thread.join()方法
- LockSupport.parkNanos()方法
- LockSupport.parkUntil()方法
阻塞blocked：在等待着获取到一个排他锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生。‘
结束terminate：已终止线程

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