四、高效并發(fā)
1. Java內(nèi)存模型與線程
1.1 概述
計算機大部分時間都花磁盤I/O，網(wǎng)絡通訊，數(shù)據(jù)庫訪問，CPU大部分時間都在等待其他資源的狀態(tài)，因此需要同時處理多個任務
另一個并發(fā)應用場景，就是服務端同時對多個客戶端提供服務
1.2 硬件效率與一致性
CPU運算速度比訪問內(nèi)存速度快得多，因此加上了高速緩存，將數(shù)據(jù)復制到緩存中，CPU從緩存中讀取數(shù)據(jù)高速運算，運算結束后把結果從緩存同步到主內(nèi)存。這樣可以解決處理器和內(nèi)存速度矛盾，但是會引入緩存一致性問題。多處理器訪問同一主內(nèi)存區(qū)域，各自緩存可能不一致。因此各處理器訪問內(nèi)存需要遵循協(xié)議：MSI MESI MOSI Synapse Firefly Dragon Protocol等
處理器對代碼可能進行亂序執(zhí)行優(yōu)化。相應的，虛擬機即時編譯器也有類似的指令重排序優(yōu)化
1.3 Java內(nèi)存模型
主內(nèi)存與工作內(nèi)存
所有共享的變量在主內(nèi)存中，每個線程有自己的工作內(nèi)存，線程對變量的操作都必須在工作內(nèi)存中進行，而不能直接操作主內(nèi)存，線程間變量傳遞需要主內(nèi)存
內(nèi)存間交互操作
八個指令：
lock：作用于主內(nèi)存，把主內(nèi)存變量標識為線程獨占
unlock：作用于主內(nèi)存，把主內(nèi)存變量解鎖，解鎖后其他線程才能鎖定
read：作用于主內(nèi)存，把變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鞯焦ぷ鲀?nèi)存
load：作用于工作內(nèi)存，把主內(nèi)存得到的值，放到工作內(nèi)存變量副本
use：作用于工作內(nèi)存，虛擬機遇到需要使用變量的字節(jié)碼指令時會執(zhí)行。把變量的值傳給執(zhí)行引擎
assign：作用于工作內(nèi)存，虛擬機遇到給變量賦值的字節(jié)碼指令時會執(zhí)行。把從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量
store：作用于工作內(nèi)存，把工作內(nèi)存中的變量的值傳到主內(nèi)存
write：作用于主內(nèi)存，把從工作變量中得到的值放到主內(nèi)存變量中
注意：
read、load與store、write必須按先后順序執(zhí)行，但是中間可以穿插其他操作
read、load與store、write必須成對出現(xiàn)，即不允許從一邊讀了但另一邊不接受
assign了就一定要同步回主內(nèi)存
沒有assign過不允許同步回主內(nèi)存
不允許工作內(nèi)存中直接使用未初始化（assign/load）的變量，use store操作前，必須執(zhí)行過了assign和load
lock可以執(zhí)行多次，但需要解鎖同樣次數(shù)
執(zhí)行l(wèi)ock前，會清空工作內(nèi)存中此變量的值。執(zhí)行引擎使用此變量前，需要先assign或load重新初始化
沒有l(wèi)ock不允許unlock
unlock前必須把變量同步回主內(nèi)存，即執(zhí)行store、write
對于volatile型變量規(guī)則
volatile可以保證變量對所有線程可見，但并不是絕對線程安全，多寫場景下仍然有并發(fā)問題，因為寫的操作不是原子的。volatile適合一寫多讀場景
volatile另一個語義是禁止指令重排序優(yōu)化
volatile的讀效率與正常變量差不多，寫效率慢一寫，因為需要插入內(nèi)存屏障
對于long和double型變量規(guī)則
雖然虛擬機規(guī)范中允許把64位數(shù)據(jù)分為兩次32位操作，但具體實現(xiàn)時，仍然會把64位數(shù)據(jù)作為原子操作
原子性、可見性、有序性
原子性：6個基本操作是原子性的，如果不能滿足需要，可以用lock、unlock指令，對應字節(jié)碼指令monitorenter、monitorexit
可見性：一個線程修改了變量的值，其他線程能夠立即知道修改的值。volatile、final、synchronized三個關鍵字都能夠保證變量可見性。被final修飾的字段在構造器中一旦被初始化完成，并且構造器沒有把this的引用傳遞出去，那么其他線程就能看見final字段的值。synchronized的可見性指的是，unlock操作前，必須把變量從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存
有序性：volatile可以禁止指令重排序，synchronized是可以保證同一時刻只有一個線程訪問
先行發(fā)生原則
天然有先后順序，無需進行同步控制
1.4 Java與線程
一對一，映射到輕量級進程
調(diào)度方法：搶占式調(diào)度
線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換
2. 線程安全與鎖優(yōu)化
2.1 線程安全
多個線程訪問一個對象，不用考慮線程調(diào)度和交替執(zhí)行，不用額外同步，調(diào)用這個對象都可以獲取到正確的結果
Java中的線程安全
不可變：如final修飾，比如String、Number的部分子類（Integer、Long等），注意，AtomicInteger等不屬于
絕對線程安全：沒有
相對線程安全：線程安全的容器，比如Vector、CurrentHashMap,Collections中的SynchronizedCollection()方法包裝的集合
線程兼容：調(diào)用端進行同步，可以保證多線程安全使用，比如HashMap
線程對立：很少，已廢棄
實現(xiàn)方法
互斥同步：即加鎖，synchronized、Lock
非阻塞同步：無鎖，CAS
無同步方案：線程本地存儲，如ThreadLocal
2.2 鎖優(yōu)化
自旋鎖與自適應自旋
忙循環(huán)，CPU不讓出執(zhí)行權
自旋一定次數(shù)還沒有獲取到鎖，可以省略自旋
鎖消除
基于逃逸分析，如果不會被其他線程訪問到，可以消除同步措施
鎖粗化
循環(huán)加鎖擴展到外部只加一次鎖
輕量級鎖
對象頭包含兩部分信息：1.對象自身運行時數(shù)據(jù)，比如哈希碼，分代年齡，64位OS中長度是64bit；2.方法區(qū)類型數(shù)據(jù)指針，如果是數(shù)組，則還有數(shù)組長度
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線程中的LockRecord空間，可以存儲對象markword的拷貝，即Displaced Mark Word。加鎖的時候，CAS地更新對象markword為指向LockRecord的指針，如果更新成功，則標志位置為了00，加鎖成功，沒有則加鎖失敗。解鎖過程就是把指針更新回Displaced Mark Word，如果更新成功則解鎖成功，失敗則說明有其他線程嘗試獲取過鎖，要釋放鎖的時候，喚醒被掛起的線程。如果有2個以上線程競爭，則升級為重量級鎖，標志位為10.
偏向鎖
對一個無鎖對象，把線程id記錄到markword中，再有一個線程來獲取鎖，標志位恢復01（無鎖）或00（輕量級鎖）
