四、高效并发
1. Java内存模型与线程
1.1 概述
计算机大部分时间都花磁盘I/O，网络通讯，数据库访问，CPU大部分时间都在等待其他资源的状态，因此需要同时处理多个任务
另一个并发应用场景，就是服务端同时对多个客户端提供服务
1.2 硬件效率与一致性
CPU运算速度比访问内存速度快得多，因此加上了高速缓存，将数据复制到缓存中，CPU从缓存中读取数据高速运算，运算结束后把结果从缓存同步到主内存。这样可以解决处理器和内存速度矛盾，但是会引入缓存一致性问题。多处理器访问同一主内存区域，各自缓存可能不一致。因此各处理器访问内存需要遵循协议：MSI MESI MOSI Synapse Firefly Dragon Protocol等
处理器对代码可能进行乱序执行优化。相应的，虚拟机即时编译器也有类似的指令重排序优化
1.3 Java内存模型
主内存与工作内存
所有共享的变量在主内存中，每个线程有自己的工作内存，线程对变量的操作都必须在工作内存中进行，而不能直接操作主内存，线程间变量传递需要主内存
内存间交互操作
八个指令：
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lock：作用于主内存，把主内存变量标识为线程独占
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unlock：作用于主内存，把主内存变量解锁，解锁后其他线程才能锁定
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read：作用于主内存，把变量的值从主内存传到工作内存
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load：作用于工作内存，把主内存得到的值，放到工作内存变量副本
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use：作用于工作内存，虚拟机遇到需要使用变量的字节码指令时会执行。把变量的值传给执行引擎
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assign：作用于工作内存，虚拟机遇到给变量赋值的字节码指令时会执行。把从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量
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store：作用于工作内存，把工作内存中的变量的值传到主内存
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write：作用于主内存，把从工作变量中得到的值放到主内存变量中
注意：
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read、load与store、write必须按先后顺序执行，但是中间可以穿插其他操作
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read、load与store、write必须成对出现，即不允许从一边读了但另一边不接受
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assign了就一定要同步回主内存
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没有assign过不允许同步回主内存
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不允许工作内存中直接使用未初始化（assign/load）的变量，use store操作前，必须执行过了assign和load
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lock可以执行多次，但需要解锁同样次数
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执行lock前，会清空工作内存中此变量的值。执行引擎使用此变量前，需要先assign或load重新初始化
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没有lock不允许unlock
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unlock前必须把变量同步回主内存，即执行store、write
对于volatile型变量规则
volatile可以保证变量对所有线程可见，但并不是绝对线程安全，多写场景下仍然有并发问题，因为写的操作不是原子的。volatile适合一写多读场景
volatile另一个语义是禁止指令重排序优化
volatile的读效率与正常变量差不多，写效率慢一写，因为需要插入内存屏障
对于long和double型变量规则
虽然虚拟机规范中允许把64位数据分为两次32位操作，但具体实现时，仍然会把64位数据作为原子操作
原子性、可见性、有序性
原子性：6个基本操作是原子性的，如果不能满足需要，可以用lock、unlock指令，对应字节码指令monitorenter、monitorexit
可见性：一个线程修改了变量的值，其他线程能够立即知道修改的值。volatile、final、synchronized三个关键字都能够保证变量可见性。被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去，那么其他线程就能看见final字段的值。synchronized的可见性指的是，unlock操作前，必须把变量从工作内存同步到主内存
有序性：volatile可以禁止指令重排序，synchronized是可以保证同一时刻只有一个线程访问
先行发生原则
天然有先后顺序，无需进行同步控制
1.4 Java与线程
一对一，映射到轻量级进程
调度方法：抢占式调度
线程状态转换
2. 线程安全与锁优化
2.1 线程安全
多个线程访问一个对象，不用考虑线程调度和交替执行，不用额外同步，调用这个对象都可以获取到正确的结果
Java中的线程安全
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不可变：如final修饰，比如String、Number的部分子类（Integer、Long等），注意，AtomicInteger等不属于
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绝对线程安全：没有
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相对线程安全：线程安全的容器，比如Vector、CurrentHashMap,Collections中的SynchronizedCollection()方法包装的集合
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线程兼容：调用端进行同步，可以保证多线程安全使用，比如HashMap
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线程对立：很少，已废弃
实现方法
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互斥同步：即加锁，synchronized、Lock
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非阻塞同步：无锁，CAS
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无同步方案：线程本地存储，如ThreadLocal
2.2 锁优化
自旋锁与自适应自旋
忙循环，CPU不让出执行权
自旋一定次数还没有获取到锁，可以省略自旋
锁消除
基于逃逸分析，如果不会被其他线程访问到，可以消除同步措施
锁粗化
循环加锁扩展到外部只加一次锁
轻量级锁
对象头包含两部分信息：1.对象自身运行时数据，比如哈希码，分代年龄，64位OS中长度是64bit；2.方法区类型数据指针，如果是数组，则还有数组长度
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线程中的LockRecord空间，可以存储对象markword的拷贝，即Displaced Mark Word。加锁的时候，CAS地更新对象markword为指向LockRecord的指针，如果更新成功，则标志位置为了00，加锁成功，没有则加锁失败。解锁过程就是把指针更新回Displaced Mark Word，如果更新成功则解锁成功，失败则说明有其他线程尝试获取过锁，要释放锁的时候，唤醒被挂起的线程。如果有2个以上线程竞争，则升级为重量级锁，标志位为10.
偏向锁
对一个无锁对象，把线程id记录到markword中，再有一个线程来获取锁，标志位恢复01（无锁）或00（轻量级锁）
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