JVM(7) Java内存模型与线程

　　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。

　　一、硬件的效率与一致性

　　由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，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理解了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来了更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。 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（Main Memory）。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，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢？为了解决一致性的问题，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，这类协议有 MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly 及 Dragon Protocol 等。

　　除了增加高速缓存之外，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（Out-Of-Order Execution）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，那么其顺序并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类型，Java 虚拟机的即时编译器中有有类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化。

　　即传统物理机并发问题解决方案：增加高速缓存和对输入代码乱序执行优化。

　　二、Java内存模型

　　Java内存模型的作用：屏蔽掉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的内存访问效果。

　　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细节。

　　此处的变量（Variables）与 Java 编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、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，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。为了获得较好的执行效能，Java 内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

　　

　　1.主内存与工作内存

　　

　　Java 内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（此处的主内存与介绍物理硬件时的主内存名字一样，两者也可以互相类比，但此处仅是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的主内存副本拷贝，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，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之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。

　　这里所讲的主内存、工作内存与前面所讲的 Java 内存区域的 Java 堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，这两者基本上是没有关系的，如果两者一定要勉强对应起来，那从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于 Java 堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次上说，主内存就直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更高的运行速度，虚拟机（甚至是硬件系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问读写的是工作内存。

　　

　　2.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 内存模型中定义了以下 8 种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于 double 和 long 类型的变量来说，load、store、read 和 write 操作在某些平台上允许有例外）。

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占的状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
• read（读取）：作用于主内存的变量，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（载入）：作用于工作内存的变量，把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
• use（使用）：作用于工作内存的变量，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的变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，把一个从执行引擎接收到的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时执行这个操作。
• store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
• write（写入）：作用于主内存的变量，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。

　　如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序地执行 read 和 load 操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行 store 和 write 操作。注意，Java 内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read 与 load 之间、store 与 write 之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量 a、b 进行访问时，一种可能出现顺序是 read a、read b、load b、load a。

　　除此之外，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，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接收，或者从工作内存发起回写了但主内存不接收的情况。
• 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
• 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，即对一个变量use、store之前，必须先执行过了assign和load操作。
• 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
• 如果对一个变量执行lock操作，那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。
• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
• 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（执行store、write操作）。

　　

　　3.对于volatile型变量的特殊规则

　　关键字 volatile 可以说是 Java 虚拟机提供的最轻量级的同步机制。

　　当一个变量定义为 volatile 之后，它将具备两种特性：

• 第一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，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。
• 第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，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。 

　　（1）volatile变量在各个线程的工作内存中不存在不一致问题（在各个线程的工作内存中，volatile变量也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），但是由于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。

package Chapter12;

public class VolatileTest {

    public static volatile int race = 0;

    public static void increase() {
        race++;
    }

    private static final int THREADS_COUNT = 20;

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        increase();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(race);
    }
}

输出：
每一次运行的输出都是一个小于200000的数字，并且每次输出结果都不一样。

使用javap分析字节码：
  public static void increase();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #13                 // Field race:I
         3: iconst_1
         4: iadd
         5: putstatic     #13                 // Field race:I
         8: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
        line 9: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature

分析：
当getstatic指令把race的值取到操作数栈顶时，volatile关键字保证了race值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这些指令的时候，其他线程可能已经把race的值加大了，而在操作数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。

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

　　由于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下，仍然要通过加锁（synchronized或java.lang.concurrent中的原子类）来保证原子性。

• 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。
• 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

　使用volatile变量正确控制并发：当shutdown()方法被调用时，能保证所有线程中执行的doWork()方法都停止下来。（满足上面的两条运算规则）

volatile boolean shtdownRequested;

public void shutdown() {
    shutdownRequested = true;
}

public void doWork() {
    while(!shutdownRequested){
        // dosomething
    }
}

　　（2）使用volatile变量还可以禁止指令重排序优化。普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，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。

　　例1：如果initialized变量没有被volatile修饰，就可能由于指令重排序的优化，导致位于线程A的最后一句代码“initialized = true;”被提前执行，这样在线程B中使用配置信息的代码就可能出现错误，而volatile关键则则可以避免此类情况的发生。

Map configOptions;
char[] configText;
// 此变量必须定义为 volatile
volatile boolean initialized = false;

// 假设以下代码在线程 A 中执行
// 模拟读取配置信息，当读取完成后将 initialized 设置为 true 以通知其他线程配置可用
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;

// 假设以下代码在线程 B 中执行
// 等待 initialized 为 true，代表线程 A 已经把配置信息初始化完成
while (!initialized) {
    sleep();
}
// 使用线程 A 中初始化好的配置信息
doSomethingWithConfig();

　　例2：标准DCL单例模式代码。通过生成汇编代码可以看出：有volatile修饰的变量，在进行复制后， 还需要多执行一个“lock addl $0x0,(%esp)”操作，这个操作相当于一个内存屏障，即指令重排序后不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置。只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；但如果有两个或者更过CPU访问同一块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性。

package Chapter12;

public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Singleton.getInstance();
    }
}

　　生成的汇编代码：

0x01a3de0f: mov    $0x3375cdb0,%esi   ;...beb0cd75 33
                                        ;   {oop('Singleton')}
0x01a3de14: mov    %eax,0x150(%esi)   ;...89865001 0000
0x01a3de1a: shr    $0x9,%esi          ;...c1ee09
0x01a3de1d: movb   $0x0,0x1104800(%esi)  ;...c6860048 100100
0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp)     ;...f0830424 00
                                        ;*putstatic instance
                                        ; - Singleton::getInstance@24 

　　从硬件架构上讲，指令重排序是指 CPU 采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理。但并不是说指令任意重排，CPU 需要能正确处理指令依赖情况以保障程序能得出正确的执行结果。譬如指令 1 把地址 A 中的值加 10，指令 2 把地址 A 中的值乘以 2，指令 3 把地址 B 中的值减去 3，这时指令 1 和 指令 2 是有依赖的，它们之间的顺序不能重排——（A + 10）* 2 与 A * 2 + 10 显然不相等，但指令 3 可以重排到指令 1、2 之前或者中间，只要保证 CPU 执行后面依赖到 A、B 值的操作是能获取到正确的 A 和 B 值即可。所以在本内 CPU 中，重排序看起来依然是有序的。因此 lock addl $0x0, (%esp) 指令把修改同步到内存时，意味着所有之前的操作都已经执行完成，这样便形成了“指令重排序无法越过内存屏障” 的效果。

　　在众多保障并发安全的工具中选用 volatile 的意义——在某些情况下，volatile 的同步机制的性能确实要优于锁（使用 synchronized 关键字或 java.util.concurrent 包里面的锁），但是由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化，使得我们很难量化地认为 volatile 就会比 synchronized 快多少。volatile 变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。不过即便如此，大多数场景下 volatile 的总开销仍然要比锁低，在 volatile 与锁之中选择的唯一依据仅仅是volatile 的语义能否满足使用场景的需求。

　　4.对于long和double型变量的特殊规则

　　Java 内存模型要求 lock、unlock、read、assign、use、store、write 这 8 个操作都具有原子性，但是对于 64 位的数据类型（long 和 double），规定允许虚拟机将没有被 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，即允许虚拟机实现选择可以不保证 64 位数据类型的 load、store、read 和 write 这 4 个操作的原子性，这点就是所谓的 long 和 double 的非原子性协定（Nonatomic Treatment of double and long Variables）。

　　如果有多个线程共享一个并为声明为 volatile 的 long 或 double 类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个既非原值，也不是其他线程修改的值的代表了 “半个变量” 的数值。

　　 不过这种读取到 “半个变量” 的情况非常罕见（在目前商用 Java 虚拟机中不会出现），因为 Java 内存模型虽然允许虚拟机不把 long 和 double 变量的读写实现成原子操作，但允许虚拟机选择把这些操作实现为具有原子性的操作，而且还 “强烈建议” 虚拟机这样实现。在实际开发中，目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把 64 位的数据的读写操作作为原子操作来对待，因此我们在编写代码时一般不需要把用到的 long 和 double 变量专门声明为 volatile。

　　5.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 3 个特征来建立的：

• 原子性（Atomicity）：由 Java 内存模型来直接保证的原子性变量操作包括 read、load、assign、use、store 和 write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的（例外就是 long 和 double 的非原子性协定）。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java 内存模型还提供了lock 和 unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把 lock 和 unlock 操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令 monitorenter 和 monitorexit 来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到 Java 代码中就是同步块——synchronized 关键字，因此在 synchronized 块之间的操作也具备原子性。
• 可见性（Visibility）：可见性是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。Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是 volatile 变量都是如此，普通变量与 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，可以说 volatile 保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。除了 volatile 之外，Java 还有两个关键字能实现可见性，即 synchronized 和 final。synchronized同步块的可见性是由 “对一个变量执行 unlock 操作之前，必须先把此变量同步会主内存中（执行 store、write 操作）” 这条规则获得的，而 final 关键字的可见性是指：被 final 修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把 “this” 的引用传递出去（this 引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到 “初始化了一半” 的对象），那在其他线程中就能看见 final 字段的值。
• 有序性（Ordering）：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，所有的操作都是有序的；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 “线程内表现为串行的语义” （普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，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到这点。譬如指令 1 把地址 A 中的值加 10，指令 2 把地址 A 中的值乘以 2，指令 3 把地址 B 中的值减去 3，这时指令 1 和 指令 2 是有依赖的，它们之间的顺序不能重排——（A + 10）* 2 与 A * 2 + 10 显然不相等，但指令 3 可以重排到指令 1、2 之前或者中间，只要保证 CPU 执行后面依赖到 A、B 值的操作是能获取到正确的 A 和 B 值即可。所以在本内 CPU 中，重排序看起来依然是有序的。），后半句是指 “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 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而 synchronized 则是由 “一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 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。

　　总结，Java并发中3种重要特性以及实现关键字：

• 原子性：synchronized
• 可见性：volatile、synchronized、final
• 有序性：volatile、synchronized

　　

　　6.先行发生原则

　　如果 Java 内存模型中所有的有序性都仅仅靠 volatile 和 synchronized 来完成，那么有一些操作将会变得很烦琐，但是我们在编写 Java 并发代码的时候并没有感觉到这一点，这是因为 Java 语言中有一个 “先行发生”（happens-before）的原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。

　　“先行发生原则”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” 包括了修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

// 以下操作在线程 A 中执行
i = 1;

// 以下操作在线程 B 中执行
j = i;

// 以下操作在线程 C 中执行
i = 2;

• 假设线程 A 中的操作 “i=1” 先行发生于线程 B 的操作 “j=i”，那么可以确定在线程 B 的操作执行后，变量 j 的值一定等于 1，得出这个结论的依据有两个：一是根据先行发生原则，“i=1” 的结果可以被观察到；二是线程 C 还没 “登场”，线程 A 操作结束之后没有其他线程会修改变量 i 的值。
• 再来考虑线程 C，我们依然保持线程 A 和线程 B 之间的先行发生关系，而线程 C 出现在线程 A 和线程 B 的操作之间，但是线程 C 与线程 B 没有先行发生关系，那 j 的值会是多少呢？答案是不确定！1 和 2 都有可能，因为线程 C 对变量 i 的影响可能会被线程 B 观察到，也可能不会，这时候线程 B 就存在读取到过期数据的风险，不具备多线程安全性。

　　下面是 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须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，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。

• 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结果。
• 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。这里必须强调的是同一个锁，而 “后面” 是指时间上的先后顺序。
• volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。这里的 “后面” 同样是指时间上的先后顺序。
• 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每一个动作。
• 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，可以通过Thread.join() 方法结束、Thread.isAlive() 的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
• 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程 interrupt() 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.interrupted() 方法检测到是否有中断发生。
• 线程终结规则（Finalizer Rule）：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（Transitivity）：如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C 。

　　例1：假设存在线程A和B，线程A先（时间上的先后）调用了setValue(1)方法，然后线程B调用了同一个对象的getValue()方法，求得到的结果。

　　分析：

• 线程A和B不在同一个线程中，程序次序规则不适用。
• 由于没有synchronized同步块，因此没有lock和unlock操作，因此管程锁定规则不适用
• 由于value没有被volatile变量修饰，因此volatile规则不适用。
• 线程启动、终止、终端，对象终结规则和传递性都不适用。

　　结论：

　　由于没有一个适用的先行发生规则，所以虽然线程A在操作时间上先于线程B，但是无法确定线程B中的getValue()方法的返回结果（可能是1也可能是0），因此这里面的操作不是线程安全的。

　　解决方案：

• 把getter/setter方法都定义为synchronized方法，这样可以适用管程锁定规则，确保线程A的setValue(1)方法先于线程B的getValue()方法执行。
• 把value定义为volatile变量，由于setter方法对value的修改不依赖value的原值（参考race++示例），满足volatile关键字的使用场景，因此可以适用volatile变量规则。

　　终结结论：一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”。

private int value = 0;

public void setValue(int value) {
    this.value = value;
}

public int getValue() {
    return value;
}

　　例2：一个操作“先行发生”也不能推导出这个操作必定是“时间上的先发生”。

　　根据先行发生的“程序次序规则”，“int i = 1”的操作先行发生于“int j = 2”，但是根据“指令重排序”规则，“int j = 2”的代码完全有可能先被处理器执行，这并不影响先行发生原则的正确性，因为在这条线程之中没有办法感知到这一点。

//  以下操作在同一个线程中执行
int i = 1;
int j = 2;

　　综上：时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，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。

　　三、Java与线程

　　1.线程的实现

　　线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件 I/O 等），又可以独立调度（线程是 CPU 调度的基本单位）。

　　主流的操作系统都提供了线程实现，Java 语言则提供了在不同硬件和操作系统平台下对线程操作的统一处理，每个已经执行 start() 且还未结束的 java.lang.Thread 类的实例就代表了一个线程。Thread 类与大部分的 Java API 有显著的差别，它的所有关键方法都是声明为 Native 的。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（当然也可能是为了执行效率而使用 Native 方法，不过，通常最高效率的手段也就是平台相关的手段）。

　　实现线程的3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

　　Java线程的实现：

　　对于 Sun SDK 来说，它的 Windows 版与 Linux 版都是使用一对一的线程模型实现的，一条 Java 线程就映射到一条轻量级进程之中，因为 Windows 和 Linux 系统提供的线程模型就是一对一的。

　　（1）使用内核线程实现

　　内核线程（Kernel-Level Thread，KLT）就是直接由操作系统内核支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操纵调度器（Scheduler）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。每个内核线程可以视为内核的一个分身，这样操作系统就有能力同时处理多件事情，支持多线程的内核就叫做多线程内核（Multi-Threads Kernel）。

　　 程序一般不会直接去使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（Light Weight Process，LWP），轻量级进程就是通常意义上所讲的线程，由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。这种轻量级进程与内核线程之间 1 : 1 的关系称为一对一的线程模型。

　　P：代表进程。LWP：轻量级进程即线程。KLT：内核线程。

　　

　　由于内核线程的支持，每个轻量级进程都会成为一个独立的调度单元，即使有一个轻量级进程在系统调用中阻塞了，也不会影响整个进程继续工作，但是轻量级进程具有它的局限性：首先，由于是基于内核线程实现的，所以各种线程操作，如创建、析构及同步，都需要进行系统调用。而系统调用的代价相对较高，需要在用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换。其次，每个轻量级进程都需要有一个内核线程的支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。

　　（2）使用用户线程实现

　　从广义上来讲，一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程（User Thread，UT），因此，从这个定义上讲，轻量级进程也属于用户线程，但轻量级进程的实现始终是建立在内核之上的，许多操作都要进行系统调用，效率会收到限制。

　　而狭义上的用户线程指的是完全建立在用户控件的线程库上，系统内核不能感知线程存在的实现。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要内核的帮助。如果程序实现得当，这种线程不需要切换到内核态，因此操作可以是非常快速且低消耗的，也可以支持规模更大的线程数量，部分高性能数据库中的多线程就是由用户线程实现的。这种进程与用户线程之间 1：N 的关系称为一对多的线程模型，

　　

　　使用用户线程的优势在于不需要系统内核支援，劣势也在于没有系统内核的支援，所有的线程操作都需要用户程序自己处理。线程的创建、切换和调度都是需要考虑的问题，而且由于操作系统只把处理器资源分配到进程，那诸如 “阻塞如何处理”、“多处理器系统中如何将线程映射到其他处理器上” 这类问题解决起来将会异常困难，甚至不可能完成。

　　（3）使用用户线程加轻量级进程混合实现

　　线程除了依赖内核线程实现和完全由用户程序自己实现之外，还有一种将内核线程与用户线程一起使用的实现方式。在这种混合实现下，既存在用户线程，也存在轻量级进程。用户线程还是完全建立在用户空间中，因此用户线程的创建、切换、析构等操作依然廉价，并且可以支持大规模的用户线程并发。而操作系统提供支持的轻量级进程则作为用户线程和内核线程之间的桥梁，这样可以使用内核提供的线程调度功能及处理器映射，并且用户线程的系统调用要通过轻量级线程来完成，大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。在这种混合模式中，用户线程与轻量级进程的数量比是不定的，即为 N：M 的关系，这种就是多对多的线程模型。

　　

　　（4）Java线程的实现

　　对于 Sun SDK 来说，它的Windows版与Linux版都是使用一对一的线程模型实现的，一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中，因为Windows和Linux系统提供的线程模型就是一对一的。

　　

　　2.Java线程调度

　　线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要调度方式有两种，分别是协同式线程调度和抢占式线程调度。

　　如果使用协同式调度的多线程系统，线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完了之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上。协同式多线程的最大好处是实现简单，而且由于线程要把自己的事情干完后才会进行线程切换，切换操作对线程自己是可知的，所以没有什么线程同步的问题。Lua 语言中的“协同例程”就是这类实现。它的坏处也很明显：线程执行时间不可控制，甚至如果一个线程编写有问题，一直不告知系统进行线程切换，那么程序就会一直阻塞在那里。

　　如果使用抢占式调度的多线程系统，那么每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定。在这种实现线程调度的方式下，线程的执行时间是系统可控的，也不会有一个线程导致整个进程阻塞的问题，Java 使用的线程调度方式就是抢占式调度。

　　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，另外一些线程则可以少分配一点——这项操作可以通过设置线程优先级来完成。Java 语言一共设置了 10 个级别的线程优先级（Thread.MIN_PRORITY 至 Thread.MAX_PRIORITY），在两个线程同时处于 Ready 状态时，优先级越高的线程越容易被系统选择执行。

　　不过，线程优先级并不是太靠谱，原因是 Java 的线程是通过映射到系统的原生线程上来实现的，所以线程调度最终还是取决于操作系统，虽然现在很多操作系统都提供线程优先级的概念，但是并不见得能与 Java 线程的优先级一一对应，如 Solaris 中有 2147483648（2^31）种优先级，但Windows 中就只有 7 种，比 Java 线程优先级多的系统还好说，中间留下一点空位就可以了，但比 Java 线程优先级少的系统，就不得不出现几个优先级相同的情况了。

　　“线程优先级并不是太靠谱”，不仅仅是说在一些平台上不同的优先级实际会变得相同这一点，还有其他情况让我们不能太让依赖优先级：优先级可能会被系统自行改变。例如，在 Windows 系统中存在一个存在一个称谓 “优先级推进器” （Priority Boosting，当然它可以被关闭掉）的功能，它的大致作用就是当系统发现一个线程执行得到特别 “勤奋努力” 的话，可能会越过线程优先级去为它分配执行时间。因此，我们不能在程序中通过优先级来完全准确地判断一组状态都为 Ready 的线程将会先执行哪一个。

　　3.状态转换

　　

　　Java语言定义了5种线程状态，在任意一个时间点，一个线程有且只有其中的一种状态：

• 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态。
• 运行（Runable）：Runable包括了操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可能正在执行，也有可能正在等待着CPU为它分配执行时间。
• 无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被其他线程显式地唤醒。
• 限期等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被CPU执行时间，不过无须等待被其他线程显式地唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。
• 阻塞（Blocked）：“阻塞状态”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；而“等待状态”则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。
• 结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。