內(nèi)存模型

內(nèi)存模型是在特定的操作協(xié)議下，對(duì)特定的內(nèi)存或高速緩存進(jìn)行讀寫訪問的過程抽象。其主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問規(guī)則。

主內(nèi)存和工作內(nèi)存

所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存，其工作內(nèi)存中是被線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的讀取、賦值等操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀取主內(nèi)存中的變量。

內(nèi)存間交互操作

從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存：順序地執(zhí)行read和load操作。
工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存：store和write操作。

volatile的特性

Volatile的作用和synchronized相同，但是和synchronized相比，更輕量。其特性主要有如下兩點(diǎn)：

保證此變量對(duì)所有線程的可見性

啥意思呢？指當(dāng)一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，新值對(duì)于其他線程來說是立即可知的。而普通變量做不到這一點(diǎn)，普通變量的值在線程間傳遞均需要通過主內(nèi)存來完成，比如線程A修改了一個(gè)普通變量的值，然后向主內(nèi)存進(jìn)行回寫，另外一條線程B在線程A回寫完成了之后再?gòu)闹鲀?nèi)存進(jìn)行讀取操作，新變量值才會(huì)對(duì)線程B可見。

禁止指令重排序優(yōu)化

因?yàn)橹噶钪嘏判驎?huì)干擾程序的并發(fā)執(zhí)行。

多線程

為什么需要多線程？

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度與它的存儲(chǔ)和通信子系統(tǒng)速度的差距太大，大量的時(shí)間都花費(fèi)在磁盤I/O、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫訪問上了。使用多線程能更好地利用cpu。

有哪些并發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景？

充分利用計(jì)算機(jī)處理器

一個(gè)服務(wù)端同時(shí)對(duì)多個(gè)客戶端提供服務(wù)

如何使處理器內(nèi)部的運(yùn)算單元被充分利用？

加入一層高速緩存

將運(yùn)算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行。當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后再?gòu)木彺嫱交貎?nèi)存中，這樣處理器就無須等待緩慢的內(nèi)存讀寫了。不過這個(gè)要考慮一個(gè)問題：怎么保證緩存的一致性。

對(duì)輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行優(yōu)化

線程的實(shí)現(xiàn)方式

使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)

內(nèi)核線程就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程。

使用用戶線程實(shí)現(xiàn)

用戶線程的建立、同步、銷毀和調(diào)度完全在用戶態(tài)中完成，不需要內(nèi)核的幫助，內(nèi)核也感知不到線程存在的實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)方式使用較少。

使用用戶線程加輕量級(jí)進(jìn)行混合實(shí)現(xiàn)

合并到一起

線程調(diào)度

線程調(diào)度是指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過程。主要分為兩種：協(xié)同式和搶占式。

協(xié)同式

線程的執(zhí)行時(shí)間由線程本身來控制，線程把自己的工作執(zhí)行完了，會(huì)主動(dòng)通知系統(tǒng)切換到另外一個(gè)線程上。
其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且沒有線程同步的問題。缺點(diǎn)是如果一個(gè)線程編寫有問題，一直不告訴系統(tǒng)進(jìn)行線程切換，那程序就會(huì)一直阻塞在那里，容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

搶占式

線程將由系統(tǒng)來分配執(zhí)行時(shí)間，線程切換不由本身來決定。java使用的線程調(diào)度方式就是這種。

線程安全

當(dāng)多個(gè)線程訪問一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不考慮這個(gè)線程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要進(jìn)行額外的同步，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其它的協(xié)調(diào)操作，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那這個(gè)對(duì)象就是安全的。

共享數(shù)據(jù)的分類

不可變

不可變的共享數(shù)據(jù)是用final修飾的數(shù)據(jù)，其一定是線程安全的。如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)基本類型變量，那么只要在定義的時(shí)候使用final關(guān)鍵字即可。

如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)對(duì)象，那就需要對(duì)象的行為不會(huì)對(duì)其狀態(tài)產(chǎn)生影響，可以將對(duì)象中帶有狀態(tài)的變量都聲明為final。比如String類就是一個(gè)不可變類

絕對(duì)線程安全

在Java API中標(biāo)注自己是線程安全的類，大多數(shù)都不是絕對(duì)的線程安全。比如Vector是一個(gè)線程安全的集合，它的所有的方法都被修飾成同步，但是在多線程的環(huán)境中，它依舊不是同步的。

相對(duì)線程安全

相對(duì)線程安全就是我們通常意義上所說的線程安全，它只能保證對(duì)這個(gè)對(duì)象單獨(dú)操作是線程安全的。但是對(duì)于一些特定順序的連續(xù)調(diào)用，就可能需要在調(diào)用端使用額外的同步手段來保證調(diào)用的正確性。
大部分的線程安全類都屬于這種類型。

線程兼容

對(duì)象本身不是線性安全的，但可以通過在調(diào)用端正確地使用同步手段來保證對(duì)象在并發(fā)環(huán)境中可以安全的使用。大部分的不是線程安全的類，都屬于這種類型。

線程對(duì)立

無論怎樣，都不能在多線程環(huán)境中并發(fā)使用，如System.setIn()、System.SetOut()。一個(gè)對(duì)輸入進(jìn)行修改，一個(gè)對(duì)輸出進(jìn)行修改，兩者是不能“交替”進(jìn)行的。

實(shí)現(xiàn)方法

方式一：互斥同步——悲觀并發(fā)策略

（1）synchronized

其原理是：這個(gè)關(guān)鍵字在經(jīng)過編譯后，會(huì)在同步塊的前后分別形成monitorenter和monitorexit這兩個(gè)字節(jié)碼指令。當(dāng)執(zhí)行monitorenter指令時(shí)，程序會(huì)嘗試獲取對(duì)象的鎖，如果能獲取到，則把鎖的計(jì)數(shù)器+1，相應(yīng)的，在執(zhí)行monitorexit時(shí)，會(huì)將鎖計(jì)數(shù)器-1。當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，鎖就被釋放。

其特點(diǎn)是：對(duì)同一條線程來說是可重入的；同步塊在已進(jìn)入的線程執(zhí)行完之前，會(huì)阻塞后面的其他線程進(jìn)入。

其選用場(chǎng)景是：在確實(shí)必要的情況下才使用此，因?yàn)槠涫侵亓考?jí)的。

（2）ReentrantLock

此重入鎖是java.util.concurrent（JUC）包下的類。其高級(jí)特性有：等待可中斷、可實(shí)現(xiàn)公平鎖、鎖可以綁定多個(gè)條件。

方式二：非阻塞同步——樂觀并發(fā)策略

先進(jìn)行操作，如果沒有其它線程爭(zhēng)用共享數(shù)據(jù)，那操作就是成功了；如果共享數(shù)據(jù)有爭(zhēng)用，產(chǎn)生了沖突，那就再采取其它的補(bǔ)償措施。

方式三：無同步方案

如果一個(gè)方法本來就不涉及共享數(shù)據(jù)，那就沒有必要進(jìn)行同步措施。比如可重復(fù)代碼和線程本地存儲(chǔ)。

（1）可重入代碼

如果一個(gè)方法，它的返回結(jié)果是可預(yù)測(cè)的，只要輸入了相同的數(shù)據(jù)，就都能返回相同的結(jié)果，那它就滿足可重入的要求。

（2）線程本地存儲(chǔ)

如果一段代碼中所需要的數(shù)據(jù)必須與其它代碼共享，而且這些共享數(shù)據(jù)的代碼在同一個(gè)線程中執(zhí)行，如此，我們可以把共享數(shù)據(jù)的可見范圍限制在一個(gè)線程中，這樣，就不用同步也能保證線程之間不出現(xiàn)數(shù)據(jù)爭(zhēng)用問題。

鎖優(yōu)化

適應(yīng)性自旋

因?yàn)樽枞蛘邌拘岩粋€(gè)JAVA的線程需要操作系統(tǒng)切換CPU狀態(tài)來完成，這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要耗費(fèi)處理器時(shí)間。如果同步代碼塊中的內(nèi)容過于簡(jiǎn)單，很可能導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換消耗的時(shí)間比用戶代碼執(zhí)行的時(shí)間還要長(zhǎng)。

為了解決這個(gè)問題，我們可以讓后面請(qǐng)求鎖的線程“稍等一下”，執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)，進(jìn)行自旋。此時(shí)沒有放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間。如果自旋超過了限定的次數(shù)，仍然沒有成功獲得鎖，那就會(huì)使用傳統(tǒng)的方式去掛起線程了。

那什么叫做適應(yīng)性自旋呢？

就是在同一個(gè)鎖對(duì)象上，如果自旋等待剛剛成功獲得過鎖，那虛擬機(jī)就會(huì)認(rèn)為這次自旋獲得鎖的概率挺大，就會(huì)允許其自旋等待持續(xù)相對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間。相反，如果自旋很少成功獲得過鎖，則可能省略掉自旋過程。

鎖消除

指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，對(duì)一些代碼上要求同步，但是被檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行消除。

鎖粗化

如果一系列的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現(xiàn)在循環(huán)體中的，那即使沒有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁地進(jìn)行互斥同步操作也會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗。
如果虛擬機(jī)探測(cè)到一串零碎的操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖，將會(huì)把加鎖同步的范圍粗化到整個(gè)操作序列的外部，這樣只需要加鎖一次就夠了。

輕量級(jí)鎖

在沒有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能損耗。
適用場(chǎng)景：無實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)，多個(gè)線程交替使用鎖；允許短時(shí)間的鎖競(jìng)爭(zhēng)。

偏向鎖

偏向鎖用于減少無競(jìng)爭(zhēng)且只有一個(gè)線程使用鎖的情況下，使用輕量級(jí)鎖產(chǎn)生的性能消耗。輕量級(jí)鎖每次申請(qǐng)、釋放鎖都至少需要一次CAS，但偏向鎖只有初始化時(shí)需要一次CAS。
適用場(chǎng)景：無實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)，且將來只有第一個(gè)申請(qǐng)鎖的線程會(huì)使用鎖。

以上是關(guān)于JAVA虛擬機(jī)中高效并發(fā)的詳細(xì)介紹，