Java 并发基础之内存模型 _Java

Version:1.0 Starthtml:000000206 EndHTML:000175716 StartFragment:000004583 EndFragment:000175611 StartSelection:000004679 EndSelection:000175592 SourceURL:https://zhuanlan.zhihu.com/p/210471606/edit
现如今，服务器性能日益增长，并发（concurrency）编程已经“深入人心” ，但由于冯诺依式计算机“指令存储，顺序执行”的特性，使得编写跨越时间维度的并发程序异常困难，所以现代编程语言都对并发编程提供了一定程度的支持，像 Golang 里面的 Goroutines、Clojure 里面的 STM（Software Transactional Memory）、Erlang 里面的 Actor 。
JAVA 对于并发编程的解决方案是多线程（Multi-threaded programming），而且 Java 中的线程与 native 线程一一对应，多线程也是早期操作系统支持并发的方案之一（其他方案：多进程、IO多路复用）。
本文着重介绍 Java 中线程同步的原理、实现机制，更侧重操作系统层面，部分原理参考 openjdk 源码。阅读本文需要对 CyclicBarrier、CountDownLatch 有基本的使用经验。
JUC在 Java 1.5 版本中，引入 JUC 并发编程辅助包，很大程度上降低了并发编程的门槛， JUC 里面主要包括：

线程调度的 Executors
缓冲任务的 Queues
超时相关的 TimeUnit
并发集合（如 ConcurrentHashMap）
线程同步类（Synchronizers ，如 CountDownLatch ）

个人认为其中最重要也是最核心的是线程同步这一块，因为并发编程的难点就在于如何保证「共享区域（专业术语：临界区， Critical Section）的访问时序问题」。
AbstractQueuedSynchronizerJUC 提供的同步类主要有如下几种：

Semaphore is a classic concurrency tool.
CountDownLatch is a very simple yet very common utility for blocking until a given number of signals, events, or conditions hold.
A CyclicBarrier is a resettable multiway synchronization point useful in some styles of parallel programming.
A Phaser provides a more flexible form of barrier that may be used to control phased computation among multiple threads.
An Exchanger allows two threads to exchange objects at a rendezvous(约会) point, and is useful in several pipeline designs.

通过阅读其源码可以发现，其实现都基于 AbstractQueuedSynchronizer 这个抽象类（一般简写 AQS），正如其 javadoc 开头所说：

Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues. This class is designed to be a useful basis for most kinds of synchronizers that rely on a single atomic int value to represent state.

也就是说， AQS 通过维护内部的 FIFO 队列和具备原子更新的整型 state 这两个属性来实现各种锁机制，包括：是否公平，是否可重入，是否共享，是否可中断（interrupt），并在这基础上，提供了更方便实用的同步类，也就是一开始提及的 Latch、Barrier 等。
这里暂时不去介绍 AQS 实现细节与如何基于 AQS 实现各种同步类（挖个坑），感兴趣的可以移步美团的一篇文章《不可不说的Java“锁”事》第六部分“独享锁 VS 共享锁” 。
在学习 Java 线程同步这一块时，对我来说困扰最大的是「线程唤醒」，试想一个已经 wait/sleep/block 的线程，是如何响应 interrupt 的呢？当调用 Object.wait() 或 lock.lock() 时， JVM 究竟做了什么事情能够在调用 Object.notify 或 lock.unlock 时重新激活相应线程？
带着上面的问题，我们从源码中寻找答案。
Java 如何实现堵塞、通知wait/notifypublic final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;public final native void notify();在 JDK 源码中，上述两个方法均用 native 实现（即 cpp 代码），追踪相关代码

// java.base/share/native/libjava/Object.cstatic JNINativeMethod methods[] = {{"hashCode","()I",(void *)&JVM_IHashCode},{"wait","(J)V",(void *)&JVM_MonitorWait},{"notify","()V",(void *)&JVM_MonitorNotify},{"notifyAll","()V",(void *)&JVM_MonitorNotifyAll},{"clone","()Ljava/lang/Object;",(void *)&JVM_Clone},};

通过上面的 cpp 代码，我们大概能猜出 JVM 是使用 monitor 来实现的 wait/notify 机制，至于这里的 monitor 是何种机制，这里暂时跳过，接着看 lock 相关实现