一 . happens-before 模型

1.1 ?happens-before 定義

happens-before 規(guī)則可以幫助我們有效的判斷操作的順序 , 幫助我們理解多線程的數(shù)據(jù)流動

1. 如果一個操作 happens-before 另一個操作，那么第一個操作的執(zhí)行結(jié)果，將對第二個操作可見，而且第一個操作的執(zhí)行順序，排在第二個操作之前。

2. 兩個操作之間存在 happens-before 關(guān)系，并不意味著一定要按照 happens-before 原則制定的順序來執(zhí)行。如果重排序之后的執(zhí)行結(jié)果與按照 happens-before 關(guān)系來執(zhí)行的結(jié)果一致，那么這種重排序并不非法。

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1.2??happens-before 規(guī)則

• 程序次序規(guī)則：一個線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作，happens-before 于書寫在后面的操作。

• 鎖定規(guī)則：一個 unLock 操作，happens-before 于后面對同一個鎖的 lock 操作。

• volatile 變量規(guī)則：對一個變量的寫操作，happens-before 于后面對這個變量的讀操作。

• 傳遞規(guī)則：如果操作 A happens-before 操作 B，而操作 B happens-before 操作C，則可以得出，操作 A happens-before 操作C

• 線程啟動規(guī)則：Thread 對象的 start 方法，happens-before 此線程的每個一個動作。

• 線程中斷規(guī)則：對線程 interrupt 方法的調(diào)用，happens-before 被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生。

• 線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作，都 happens-before 線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join() 方法結(jié)束、Thread.isAlive() 的返回值手段，檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。

• 對象終結(jié)規(guī)則：一個對象的初始化完成，happens-before 它的 finalize() 方法的開始

  
  

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1.3 ?其他規(guī)則

1. 將一個元素放入一個線程安全的隊列的操作，happens-before 從隊列中取出這個元素的操作。

2. 將一個元素放入一個線程安全容器的操作，happens-before 從容器中取出這個元素的操作。

3. 在 CountDownLatch 上的 countDown 操作，happens-before CountDownLatch 上的 await 操作。

4. 釋放 Semaphore 上的 release 的操作，happens-before 上的 acquire 操作。

5. Future 表示的任務(wù)的所有操作，happens-before Future 上的 get 操作。

6. 向 Executor 提交一個 Runnable 或 Callable 的操作，happens-before 任務(wù)開始執(zhí)行操作。

二 . ?重排序

為了提高性能，處理器和編譯器常常會對指令進行重排序 , 其主要目的是在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能提高程序的運行效率

1. 在單線程環(huán)境下，不能改變程序運行的結(jié)果。

2. 存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的情況下，不允許重排序。

• 多線程情況下 , 當代碼中存在控制依賴性時，會影響指令序列的執(zhí)行的并行度，所以編譯器和處理器會采用猜測執(zhí)行來克服控制依賴對并行度的影響

總結(jié) : 無法通過 happens-before 原則推導(dǎo)出來的，JMM 允許任意的排序。

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as-if-serial 語義

• 所有的操作均可以為了優(yōu)化而被重排序，但是你必須要保證重排序后執(zhí)行的結(jié)果不能被改變，編譯器、runtime、處理器都必須遵守 as-if-serial 語義

• as-if-serial 只保證單線程環(huán)境，多線程環(huán)境下無效

JIT 優(yōu)化原則

盡可能地優(yōu)化程序正常運行下的邏輯，哪怕以?catch?塊邏輯變得復(fù)雜為代價。

三 . ?線程的 CPU 時間片

Java中線程會按優(yōu)先級分配CPU時間片運行

1. 當前運行線程主動放棄CPU，JVM暫時放棄CPU操作（基于時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的JVM操作系統(tǒng)不會讓線程永久放棄CPU，或者說放棄本次時間片的執(zhí)行權(quán)），例如調(diào)用yield()方法。

2. 當前運行線程因為某些原因進入阻塞狀態(tài)，例如阻塞在I/O上。

3. 當前運行線程結(jié)束，即運行完run()方法里面的任務(wù)。

yield 放棄 CPU

yield操作并不會永遠放棄CPU，僅僅只是放棄了此次時間片，把剩下的時間讓給別的線程

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IO 柱塞

運行程序?qū)⒂袃蓷l線程工作，ioThread每次遇到I/O阻塞就放棄當前的時間片，而主線程則按JVM分配的時間片正常運行

CPU 優(yōu)先級

Java把線程優(yōu)先級分成10個級別，線程被創(chuàng)建時如果沒有明確聲明則使用默認優(yōu)先級，JVM將根據(jù)每個線程的優(yōu)先級分配執(zhí)行時間的概率。有三個常量 :

• Thread.MIN_PRIORITY ?: 最小優(yōu)先級值（1）

• Thread.NORM_PRIORITY : 默認優(yōu)先級值（5）

• Thread.MAX_PRIORITY : 最大優(yōu)先級值（10）。

線程的調(diào)度策略決定上層多線程運行機制，JVM的線程調(diào)度器實現(xiàn)了搶占式調(diào)度，每條線程執(zhí)行的時間由它分配管理，它將按照線程優(yōu)先級的建議對線程執(zhí)行的時間進行分配，優(yōu)先級越高，可能得到CPU的時間則越長。

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四 .內(nèi)存屏障

硬件層提供了一系列的內(nèi)存屏障 memory barrier / memory fence(Intel的提法)來提供一致性的能力

幾種主要的內(nèi)存屏障 :

1. lfence，是一種Load Barrier 讀屏障

2. sfence, 是一種Store Barrier 寫屏障

3. mfence, 是一種全能型的屏障，具備ifence和sfence的能力

4. 帶Lock前綴類，Lock不是一種內(nèi)存屏障，但是它能完成類似內(nèi)存屏障的功能。

• Lock會對CPU總線和高速緩存加鎖，可以理解為CPU指令級的一種鎖。

• 它后面可以跟ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG等指令。

內(nèi)存屏障的能力

1. 阻止屏障兩邊的指令重排序

2. 強制把寫緩沖區(qū)/高速緩存中的臟數(shù)據(jù)等寫回主內(nèi)存，讓緩存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)失效

**內(nèi)存屏障最常見的地方就是 Volatile **

五. ?CPU

CPU 高速緩存原理

Java內(nèi)存模型中每個線程的工作內(nèi)存實際上就是寄存器以及高速緩存的抽象 , ?各個核心直接通過系統(tǒng)總線連接 , 而總線是一種共享資源 , 這就意味著資源競爭.

計算機的局部性原理

局部性原理是緩存技術(shù)的底層理論基礎(chǔ)。局部性包括兩種形式：

1. 時間局部性，一個具有良好時間局部性的程序中，被引用過一次的存儲器位置很可能在不遠的將來再被多次引用

2. 空間局部性，一個具有良好空間局部性的程序中，如果一個存儲器位置被引用了一次，那么程序很可能在不遠的將來引用附近的一個存儲器位置

存儲器體系結(jié)構(gòu) :

存儲器呈現(xiàn)金字塔結(jié)構(gòu) , 主要包括寄存器 , 高速緩存 , 主存等幾個概念 , 存儲器有以下幾個特點 :

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• 一層存儲器只和下層存儲器打交道，不會跨級訪問

• 下層作為上層的一個緩存。CPU要訪問的數(shù)據(jù)的最終一般都經(jīng)過主存，主存作為下層其他設(shè)備的一個緩存，其他設(shè)備的數(shù)據(jù)最終都要進入主存才能被CPU訪問到

CPU 高速緩存核心原理

TODO @?blog.csdn.net/iter_zc/art…

六. 內(nèi)存模型之一致性

一致性的滿足 @?blog.csdn.net/iter_zc/art…

• 在單機器多CPU的情況下，多CPU并發(fā)執(zhí)行，共用一個內(nèi)存，一般通過共享內(nèi)存的方式來處理一致性問題，通過定義滿足不同一致性需求的內(nèi)存模型來解決內(nèi)存一致性問題(Memory Consistency)

• 在分布式環(huán)境中，多臺機器多CPU通過網(wǎng)絡(luò)來并發(fā)執(zhí)行，一般通過消息通信的方式來處理一致性問題 (Paxos協(xié)議 , Zab協(xié)議)

6.1 一致性分類

嚴格一致性 Strict Consistency 線性一致性 Linearizability

所有的讀寫操作都按照全局的時序來排列執(zhí)行 , 所有的CPU需要共享一個全局的時鐘順序 , 且按照該順序執(zhí)行

順序一致性 Sequential Consistency

• 對每個單個CPU來說，它看到自己程序的執(zhí)行順序始終是和程序定義是一致的（單個CPU角度）

• 每個CPU看到的其他CPU的寫操作都是按照相同的順序執(zhí)行的，大家看到的最終執(zhí)行的視圖是一致的(從全局的角度)

• 單個CPU對共享變量的寫操作馬上對其他CPU可見

因果一致性 Causal Consistency

• 因果一致性是一種弱的順序一致性，只有有因果關(guān)系的數(shù)據(jù)才需要保證順序一致性，沒有因果關(guān)系的數(shù)據(jù)不需要保證順序一致性

• 通俗來說就是 B 對 x 的寫操作 W(x)B 會依賴于 A 對 x 的寫操作 , 即對外展現(xiàn)為 W(x)a, W(x)b

處理器一致性/ PRAM(Piplined RAM) 管道式存儲器

• 只要求從一個處理器來的寫操作按照同樣的順序被其他處理器看到，不同處理器的寫操作可以按照不同的順序被看到

• 就是說它不保證有因果關(guān)系的寫操作按照執(zhí)行的順序執(zhí)行

弱一致性 Weak Consistency

弱一致性只對被同步操作保護的共享變量而言，規(guī)定了只有對共享變量的同步操作完成之后，共享數(shù)據(jù)才可能保持一致性.在同步操作過程中，是不保證一致性的，單個處理器對共享變量的修改對其他處理器是不可見的。相比與嚴格的順序一致性，它只保持了執(zhí)行順序上的順序一致性，至于可見性必須要等待同步操作結(jié)束

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• 對同步變量的讀寫按照順序一致性

• 只有所有對同步變量的寫操作完成之后才能對同步變量進行訪問

• 只有所有對同步變量的訪問(讀/寫)完成后才能對同步變量訪問

釋放一致性 Release Consistency

• 釋放一致性規(guī)定了對同步變量的釋放操作后，就對同步變量的狀態(tài)廣播到其他處理器

進入一致性 Entry Consistency

• 進入同步變量時，獲取同步變量的最新狀態(tài)

緩存一致性 Cache Consistency

• TODO

九 . ?多線程模型

9 .1 并行模型

并行 Worker : (許多 java.util.concurrent 包下的并發(fā)工具都使用了這種模型)

并行 worker 的核心思想是，它主要有兩個進程即代理人和工人，Delegator 負責(zé)接收來自客戶端的任務(wù)并把任務(wù)下發(fā)，交給具體的 Worker 進行處理，Worker 處理完成后把結(jié)果返回給 Delegator，在 Delegator 接收到 Worker 處理的結(jié)果后對其進行匯總，然后交給客戶端。

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9 .2 響應(yīng)式 - 事件驅(qū)動系統(tǒng) : Actor 模型

在 Actor 模型中，每一個 Actor 其實就是一個 Worker， 每一個 Actor 都能夠處理任務(wù)。

簡單來說，Actor 模型是一個并發(fā)模型，它定義了一系列系統(tǒng)組件應(yīng)該如何動作和交互的通用規(guī)則，最著名的使用這套規(guī)則的編程語言是 Erlang。一個參與者Actor對接收到的消息做出響應(yīng)，然后可以創(chuàng)建出更多的 Actor 或發(fā)送更多的消息，同時準備接收下一條消息。

9 .3 ?響應(yīng)式 - 事件驅(qū)動系統(tǒng) : Channels 模型 .

在 Channel 模型中，worker 通常不會直接通信，與此相對的，他們通常將事件發(fā)送到不同的 通道(Channel)上，然后其他 worker 可以在這些通道上獲取消息，下面是 Channel 的模型圖

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作者：AntBlack
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