1、概述

　　現代計算機中，CPU的運算速度遠遠快於記憶體存取速度，為了更好利用CPU的硬體效能，人們想出來很多辦法。

　　1、減小CPU和記憶體的速度差距——cache

　　　　通過在CPU和記憶體之間加入一層緩衝層，CPU的輸出輸入到cache中，輸入從cache中獲得。

　　　　然後再利用區域性性原理，預先在cache中存入更多資料，來滿足CPU的高速處理。

　　　　cache命中率、cache缺失、cache一致性、寫緩衝、寫回、寫直達。

　　2、減少CPU等待——多工處理

　　　　在當前任務在執行IO操作時，採用DMA方式執行IO，CPU儲存當前程序的工作現場，並切換到其他程序執行。

　　在多處理器的CPU中，每個處理器都有自己的快取記憶體，這時就引出了一個問題——快取一致性（記憶體可見性）。

　　當多個處理器都對同一資料進行處理時，資料在處理器的快取中可能會產生多個副本。

　　Java虛擬機器規範中試圖定義一種統一的Java記憶體模型來遮蔽掉硬體和作業系統記憶體訪問的差異，從而在記憶體訪問上實現平臺無關性。

　　Java記憶體模型的主要目標是定義程式中各個變數的訪問規則，即在虛擬機器中將變數儲存到記憶體和從記憶體取出的底層細節。

2、Java記憶體模型

　　2.1 主記憶體與工作記憶體

　　　　Java記憶體模型規定所有的變數都儲存在主記憶體中。

　　　　每個執行緒有自己的工作記憶體，其中儲存了該執行緒使用到的變數的主記憶體副本拷貝（引用）。

　　　　執行緒對變數的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作記憶體中進行，而不能直接讀寫主記憶體中的變數。

　　　　執行緒間的變數值的傳遞均需要通過主記憶體來完成。

　　2.2 記憶體間互動操作

　　　　如何在主記憶體和工作記憶體之間傳遞資料？

　　　　Java記憶體模型規定了8種操作：

　　　　　　1、lock

　　　　　　　　作用於主記憶體的變數，把變數標識為一條執行緒獨佔的狀態。

　　　　　　2、unlock

　　　　　　　　將主記憶體變數從鎖定狀態釋放。釋放後的變數才能被其他執行緒鎖定。

　　　　　　3、read

　　　　　　　　作用於主記憶體變數，把變數值從主記憶體傳輸入工作記憶體，以便後面的load操作使用。

　　　　　　4、load

　　　　　　　　作用於工作記憶體的變數，把read操作輸入的值放入工作記憶體的變數副本中。

　　　　　　5、use

　　　　　　　　作用於工作記憶體變數，將工作記憶體變數值傳遞給執行引擎（當虛擬機器執行到需要變數值的指令時）。

　　　　　　6、assign

　　　　　　　　作用於工作記憶體變數，把從執行引擎收到的值賦給工作記憶體變數。

　　　　　　7、store

　　　　　　　　作用於工作記憶體變數，把變數值傳送到主記憶體中。以便後面的write指令使用。

　　　　　　8、write作用於主記憶體變數，把store操作傳過來的值放入主記憶體的變數中。

　　　　執行以上8種操作需要滿足以下規則：

　　　　　　1、read和load，store和write必須配對出現。不能存在輸入但不接收的情況。

　　　　　　2、不允許一個執行緒丟棄它最近的assign操作，變數在工作記憶體中改變後必須同步回主記憶體。

　　　　　　3、不允許一個執行緒無原因（沒有改變）地將資料同步回主記憶體。

　　　　　　4、新的變數只能在主記憶體中產生，使用變數前，必須經過assign和load操作。

　　　　　　5、一個變數同一時刻只能有一個執行緒對其進行lock操作。但是，可以被一個執行緒多次執行lock操作（重入）。

　　　　　　6、如果對變數執行lock操作，那麼會清空工作記憶體中變數的值，使用前需要重新load或賦值。

　　　　　　7、unlock必須在lock之後才能進行。

　　　　　　8、對變數執行unlock之前，必須同步回記憶體。

　　　　主記憶體--->工作記憶體：read--->load 按先後順序執行，沒有原子性要求。

　　　　工作記憶體--->主記憶體：store--->write 按先後順序執行，沒有原子性要求。

　　　　對於volatile型別變數的特殊規則：

　　　　　　1、可見性

　　　　　　　　一個執行緒修改了變數值，其他執行緒立即可以知道這個修改。

　　　　　　　　沒有保證原子性。因此，read->change->write的操作（依賴當前值）是不安全的。

　　　　　　2、禁止指令重排序

　　　　　　　　在原生代碼中插入了許多記憶體屏障來保證處理器不發生亂序執行。

　　　　對於long、double型別的特殊規則：

　　　　　　非原子協定：對於64位資料型別的讀寫可以採用兩條32位指令來實現，且不強制兩條指令的原子性。

　　2.3 先行發生規則

3、Java與多執行緒

　　執行緒是比程序更輕量級的排程執行單位，執行緒的引入，可以把程序的資源分配和排程執行分開。

　　各個執行緒既可以共享程序資源（記憶體、IO），又可以獨立的被排程執行。　

　　3.1 執行緒實現

　　　　1、使用核心執行緒實現

　　　　　　核心執行緒（Kernal-Level Thread）：直接由作業系統核心支援和管理的執行緒。

　　　　　　輕量級程序（Light Weight Process）：核心執行緒的介面，用於程式呼叫。

　　　　　　使用核心執行緒實現就是在程式中呼叫輕量級程序介面，將執行緒的實現交給作業系統。

　　　　　　LWP：KLT=1：1。

　　　　　　執行緒切換代價太高，支援的執行緒數量有限。

　　　　2、使用使用者執行緒實現

　　　　　　自己在程式中實現執行緒的建立、同步、銷燬和排程。

　　　　　　切換效率高，實現複雜。

　　　　3、使用使用者執行緒+核心執行緒 的混合模式

　　　　　　建立、切換銷燬自己實現，排程和處理器對映則依賴作業系統。

　　　　　　UT（user thread）：LWP：KLT=m：n：n。

　　　　　　折中。

　　3.2 Java執行緒實現

　　　　Linux和windows都是1：1的實現。

4、Java執行緒排程

　　搶佔式和非搶佔式。

　　Java使用搶佔式。

　　執行緒優先順序，Java有10個等級，但是最終都要對映到作業系統的優先順序上。

　　Windows有7個等級。

　　Java執行緒狀態：

　　　　1、New

　　　　　　建立後尚未啟動。

　　　　2、Runable

　　　　　　包括作業系統中的Running和Ready狀態。

　　　　3、Waiting

　　　　　　無限期地等待，直到被顯示地喚醒。

　　　　　　沒有設Timeout引數的Object.wait()方法和Thread.join()方法；

　　　　　　LockSupport.park() 方法。

　　　　4、Timed Waiting

　　　　　　一段時間後自動甦醒。

　　　　　　Thread.sleep()方法；

　　　　　　設定了Timeout引數的Object.wait和Thread.join方法；

　　　　　　LockSupport.parkNanos()方法；

　　　　　　LockSupport.parkUtil()方法。

　　　　5、Blocked

　　　　6、Terminated