當我們談Java并發(fā)的時候，你們在談什么？

前言：

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很多人在剛開始學(xué) Java 的時候，會覺得多線程是一塊難啃的骨頭，特別是對于非科班的同學(xué)。究其原因，我想主要是因為沒有將多線程建立起一種模型，不清楚多線程的問題到底是怎么產(chǎn)生的。在這里，我就和大家聊一下我對Java 多線程的一些想法。

Java 是基于 Java 虛擬機（JVM）實現(xiàn)的一套編程語言，我們寫的 Java 代碼是要在 JVM 中才能運行。所謂虛擬機，其實就是模擬了一個操作系統(tǒng)。一個常規(guī)操作系統(tǒng)所必備的功能，虛擬機一般也會有。我們計算機的操作系統(tǒng)能管理內(nèi)存資源，那么虛擬機當然也要能管理內(nèi)存資源了。在 JVM 里，從邏輯的角度來說，會把內(nèi)存劃分為兩部分：  線程棧  和  堆  。

嗯，我知道你們對這樣簡單粗暴的劃分方式有意見，JVM 里面的內(nèi)存劃分遠比上面說的復(fù)雜。

而我們今天的談?wù)撝簧婕暗?nbsp; 線程棧  （即虛擬機棧）和  堆  ，因此就簡單地認為 JVM 只劃分了這兩部分。

也就是說，JVM 里面的內(nèi)存模型，我們可以簡要地畫成下面的那樣：

每一個線程對應(yīng)一個線程棧，線程棧里面的資源是私有的，也就是說我們在線程棧里的變量（即所謂的局部變量）是不會被多個線程共享。

堆內(nèi)存是被所有線程所共享的，程序中創(chuàng)建的對象都會保留在堆內(nèi)存中。

好了，說完了 Java 的內(nèi)存模型，我們來看一看計算機的內(nèi)存模型。

我們寫代碼的時候，代碼和數(shù)據(jù)一般都是保存在硬盤中。當我們在 shell 中輸入完一個 javac命令，或者點擊 IDE 的編譯按鈕的時候，我們的代碼和數(shù)據(jù)會第一時間復(fù)制到內(nèi)存中。復(fù)制完成之后會通知我們的 CPU 處理器，然后 CPU 開始執(zhí)行命令，將內(nèi)存中的信息復(fù)制到 CPU 寄存器中，用來執(zhí)行相應(yīng)指令。在現(xiàn)代 CPU 中，CPU 寄存器運行速度非常快，而內(nèi)存運行速度相對來說就非常慢了，為了彌補兩者運行速度之間的巨大差異，在內(nèi)存和 CPU 寄存器之間會有高速緩存（一般有三級緩存），用來暫時存放從內(nèi)存中獲取的數(shù)據(jù)。整個結(jié)構(gòu)大體如下圖：

上面這幅圖就是計算機的簡單存儲模型，這里只畫了三層，第一層是 CPU 寄存器，第二層是 CPU 高速緩存，第三層是內(nèi)存。這里的箭頭可以理解為數(shù)據(jù)總線，表示數(shù)據(jù)流動的方向。

在真實計算機中，CPU 高速緩存一般有多級，其中一部分封裝在 CPU 核中，另一部分封裝在 CPU 處理器中（一個處理器可以有多個核），這里為了方便，默認都封裝在 CPU 處理器中的。

如果 CPU 想要讀取我們代碼中的數(shù)據(jù)，CPU 會先在高速緩存中查找需要的數(shù)據(jù)，如果找到了，那么就直接使用這數(shù)據(jù)；如果在緩存中沒有找到需要的數(shù)據(jù)，那么就會繼續(xù)往下找，在內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，并且在緩存中存放一份，再拿回 CPU 使用。

而 CPU 想要把處理后的數(shù)據(jù)寫回來的時候，就稍微麻煩一些了。如果 CPU 返回一個數(shù)據(jù)，就把該數(shù)據(jù)一級一級地往下送的話，那么數(shù)據(jù)總線流量就會非常大。因此，什么時間、以什么樣的方式將返回的數(shù)據(jù)寫入下一級存儲器，以達到性能最優(yōu)，是一個比較困難的問題。我們只知道， CPU 返回一個數(shù)據(jù)后，我們不會立即在內(nèi)存中看到這個數(shù)據(jù) 。

了解了計算機的內(nèi)存模型，這和 JVM 的內(nèi)存模型有什么關(guān)系呢？

我們已經(jīng)知道，計算機的內(nèi)存模型和 JVM 的內(nèi)存模型是不一樣的，計算機的內(nèi)存模型里面并不區(qū)分線程棧和堆。而 JVM 里的堆和線程棧信息，一開始也只在計算機的內(nèi)存中，只有當 CPU 運行指令需要堆或線程棧中的信息時，JVM 里面的一部分堆和線程棧的數(shù)據(jù)才會被加載到高速緩存和 CPU 寄存器中。因此，JVM 的線程棧和堆的信息可以用下面的圖來表示：

也就是說，JVM 里面的變量和對象，可能在計算機存儲結(jié)構(gòu)中的任何地方存在。這就會導(dǎo)致兩個問題：

當線程更新一個共享變量的值時，會發(fā)生內(nèi)存可見性問題（Memory Visibility）。

當多個線程對同一個變量進行更新操作時，會產(chǎn)生競態(tài)條件（Race Condition）。

這里其實還可以思考一個問題，即在 JVM 里面進行的線程操作，是如何分布到操作系統(tǒng)的線程的。換句話說，JVM 里面的線程是用戶態(tài)還是內(nèi)核態(tài)？

其實 JVM 虛擬機規(guī)范并未對此作出限制，不同的 JVM 可以有不同的實現(xiàn)。HotSpot 虛擬機默認使用的是內(nèi)核線程，也就是說 HotSpot 虛擬機不干涉線程的調(diào)度，全權(quán)交由操作系統(tǒng)來處理。當然，如果想將線程綁定到特定的 CPU 核執(zhí)行，也是可以的。HotSpot 虛擬機中實現(xiàn)了 static bool bind_to_processor(uint processor_id); 方法，用來將線程綁定到指定的 CPU 核運行。

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內(nèi)存可見性

假設(shè)有一個共享對象，它最開始只是在內(nèi)存中，當一個線程爭取到了左 CPU 的時間片，在這段時間里將共享對象復(fù)制到左 CPU 的高速緩存中，然后左 CPU 對這個共享對象做了一些修改并返回這個共享對象。之前我們說過， CPU 返回一個數(shù)據(jù)后，我們不會立即在內(nèi)存中看到這個數(shù)據(jù)，因此，在共享對象的值返回到內(nèi)存之前，如果右 CPU 也想使用這個共享對象，那么右 CPU 拿到的共享對象不是左 CPU 修改后的共享對象，也就是說右 CPU 得到的共享對象的值不是最新的！

下面通過一副圖來說明這個問題：

在上圖中，左邊的 CPU 會將內(nèi)存中的 obj 對象復(fù)制一份在 CPU 高速緩存中，然后 CPU 對其進行操作，修改了 obj 對象中 count 屬性的值，讓 obj.count 從 1 變成了 2。然而在 CPU 高速緩存把 obj 最新的值返回到內(nèi)存中之前，右邊的 CPU 執(zhí)行了相同的代碼，也從內(nèi)存中獲取了 obj 對象，但它不知道左邊的 CPU 對 obj 對象進行修改了，它  看不見  obj 對象最新的值，因此，右邊的 CPU 獲取的 obj.count 的值還是 1 。

競態(tài)條件

可見性問題說的是一個線程對共享變量修改了之后，其他線程不能立即看到該共享變量最新的值得問題。如果有多個線程對同一個變量進行讀取和修改，那么就可能發(fā)生競態(tài)條件。

如上圖，假設(shè)左邊的 CPU 從內(nèi)存中獲取了 obj 對象，并將其復(fù)制到 CPU 高速緩存中，這個時候，右邊的 CPU 也從內(nèi)存中獲取到了 obj 對象，也將其復(fù)制到了 CPU 高速緩存中。然后兩個 CPU 都對 obj.count 的值增加 1。從整體上來看，obj.count 的值增加了兩次，而當左右兩邊的 CPU 高速緩存將 obj 的值寫回到內(nèi)存中時，會發(fā)現(xiàn)實際上 obj.count 的值只增加了 1 次。

下面的流程圖可以詳細說明這種情況：

左 CPU 和右 CPU 同時爭奪 obj 對象的情況，就被成為“競態(tài)條件”。

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