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深入理解java虚拟机(十)

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Java内存模型与线程

并发处理的广泛应用是使得Amdahl定律代替摩尔定律成为计算机性能发展源动力的根本原因,也是人类压榨计算机运算能力最有力的武器

概述

计算机同时去做几件事情,不仅是因为计算机的运算能力强大了,还有一个重要原因是计算机的运算速度与它的存储和通讯子系统速度的差距太大,大部分时间都花在了磁盘I/O、网络通讯和数据库访问上。如果不希望处理器在大部分时间里都处于等待其他资源的状态,就必须使用一些手段去把处理器的运算能力“压榨”出来,否则就会造成很大的浪费,而让计算机同时处理几项任务则是最容易想到,也被证明是非常有效的“压榨”手段

除了充分利用计算机处理器的能力外,一个服务器同时对多个客户端提供服务则是另一个更具体的并发应用场景。衡量一个服务性能的高低好坏,每秒事务处理数(Transactions Per Second, TPS)是最重要的指标之一,它代表着一秒内服务端平均能响应的请求总数,而TPS值与程序的并发能力又有非常密切的关系。对于计算量相同的任务,程序线程并发协调的越有条不紊,效率自然就会越高;反之,线程之间频繁阻塞甚至死锁,将会大大降低程序的并发能力。

服务端是Java语言最擅长领域之一,了解并发内幕也是成为一个高级程序员不可缺少的课题

Amdahl定律通过系统中并行化与串行化的比重来描述多处理器系统能获得的运算加速能力,摩尔定律则用于描述处理器晶体管数量与运行效率之间的发展关系。这两个定律的更替代表了今年来硬件发展从追求处理器频率到追求多核心并行处理的发展过程

硬件的效率与一致性

物理计算机中的并发问题与虚拟机中的情况有不少相似之处,物理机对并发的处理方案对虚拟机的实现也有相当大的参考意义。

“让计算机并发执行若干个运算任务”与“更充分地利用计算机处理器的效能”之间的因果关系,看起来顺利成章,实际没有想象中那么容易,因为所有运算任务不可能只靠处理器“计算”就能完成,至少与内存的交互,如读取运算数据、存储运算结果,都是很难消除的。计算机的存储设备与处理器的运算速度之间有着几个数量级差距,现代计算机系统加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速冻的高速缓存来作为内存与处理器之间缓冲:将运算需要使用到的数据复制到缓存中,让计算能快速进行,当运算结束后再从缓存同步回内存之中,这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾,但也引入了新的问题:缓存一致行。在多处理器系统中,每个处理器都有自己的高速缓存,而它们又共享同一主内存。

当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时,将可能导致各自的缓存数据不一致的情况,如果帧的发生这种情况,那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准?为了解决一致性,需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议,在读写时要根据协议来进行操作。Java虚拟机内存模型中定义的内存访问操作与硬件的缓存访问操作是具有可比性的

除此之外,为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用,处理器可能会对输入代码进行乱序执行优化,处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组,保证该结果与顺序执行的结果是一致的。但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致,因此如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果,那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行类似,Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序优化

Java内存模型

Java虚拟机规范中视图定义一种Java内存模型(Java Memory Model, JMM)来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现让java程序在各种平台下都能达到一致性的并发效果。在此之前,主流程序语言(如C/C++等)直接使用物理硬件(或者说操作系统的内存模型),因此,会由于不同平台上内存模型的差异,导致程序在一套平台上并发完全正常,而在另外一套平台上内存模型的差异,导致程序在一套平台上并发完全正常,而在另外一套平台上并发访问却经常出错。因此经常需要针对不同的平台来编写程序

主内存与工作内存

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存内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量与Java编程中所说的变量略有区别,它包括实例字段,静态字段和构成数组对象的元素,但不包括局部变量与方法参数,因为后者是线程私有的,不被共享。为了获得较好的执行效能,Java内存模型并没有现在执行引擎使用处理器的特定寄存器或者缓存来和主内存进行交互,也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权利

Java内存模型规定所有变量都存储在主内存中(此处主内存与介绍物理硬件时的主内存名字一样,两者可以相互类比,但此处即时虚拟机内存的一部分)。每条线程还有自己的工作内存(可与前面所讲的处理器高速缓存类比),线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量到主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行。不能直接读写主内存中变量。不同线程之间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内存模型与java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是一个层次的内存划分。如果一定要勉强对应起来,那从变量、主内存、工作内存的定义看,主内存对应于java堆中对象的实例数据部分。而工作内存对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低的层次来说,主内存就是硬件的内存,工作内存优先存储于寄存器好高速缓存中。

内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步会主内存之类的实现细节,java内存模型定义了8种操作

Lock(锁定)  unlock(解锁)  read(读取)  load(载入)  use(使用)  assign(赋值)  store(存储)  write(写入)

对于volatile型变量的特殊规则

当变量被定义为volatile之后,它具备两种特性,第一保证此变量对所有线程可见,指当一条线程修改了变量的值,新值对于其他线程是可以立即得知的

各个线程的工作内存中volatile变量可以存在不一致的情况,但由于每次使用之前都要先刷新,执行引擎看不到不一致的情况,因此可以认为不存在不一致问题。

java里面的运算并非原子操作,导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的

volatile变量只能保证可见性,在不符合一下两条规则的运算场景中,我们仍然要通过加锁来保证原子性。

  1. 运算结果并不依赖变量的当前值,或者能够确保只有单一的线程修改变量的值

  2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

使用volatile第二语义是禁止指令重排序优化,普通变量仅仅会保证在该方法执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知这点,“线程内表现为串行的语义”

原子性、可见性与有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征建立的。

普通变量与volatile变量区别是volaile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

除了volatile之外,java还有synchornizedfinal可以实现可见性

有序性:Java程序中天然的有序性可以总结为一句话:如果在本线程内观察,所有操作都是有序的,如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”,后半句指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象

Java语言提供了volatilesynchronized关键字来保证线程之间操作的有序性

volaile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义,而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一个线程对其进行lock操作”

先行发生原则:它是判断数据是否存在竞争,线程是否安全的主要依据,依赖这个原则,我们可以通过几条规则一揽子解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。

先行发生指的是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,其实就是说在发生操作B之前,操作A产生的影响能被操作B观察到,“影响”包括修改内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法。

Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系,这些先行发生关系无需任何同步器协助就已经存在。

“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”,那如果一个操作“先行发生”是否就能推导出这个操作必定是“时间上的先发生”呢?

时间上的先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大关系,衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰,一切必须以先行发生原则为准

Java与线程

线程实现

实现线程主要有三种方式:使用内核线程实现,使用用户线程实现,使用用户线程加轻量级进程混合实现

内核线程:是直接有操作系统内核支持的线程,这种线程有内核来完成线程切换,内核通过操纵调度器对线程进行调度,并负责将线程的任务映射到各个处理器上。程序一般不会直接使用内核线程,而是去使用内核线程的一种高级接口(轻量级进程)

用户线程指:建立在用户空间的线程库上,系统内核不能感知到线程存在的实现

Java线程调度

指为线程分配处理器使用权的过程,有两种

协同式线程调度:执行时间有线程本身控制

抢占式线程调度:每个线程将由系统来分配执行时间,虽然Java线程调度是系统自动完成的,但是我们还是可以“建议”系统给某些线程多分配一点执行时间。可以通过设置线程优先级来完成(不可靠)。

线程状态

新建、运行、无限期等待、限期等待、阻塞、结束

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