并发编程基础原理，个人理解，如有错误请指正。推荐书籍《Java并发编程的艺术》

JMM (内存模型)

内存模型

1. 每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了该线程使用的共享变量的副本

2. 本地内存只是JMM的一个抽象，具体实现依赖于具体硬件(高速缓存，寄存器等)

3. 线程不直接读写主内存的共享变量，而是直接操作本地内存中的副本

硬件架构（常见架构，英特尔等）

结合JMM和硬件架构

1. 当线程1抢占了核1的时间片，就拥有了核1及核1的L1 L2及共享L3使用权

2. 在抢占的时间片内，线程1执行过程中若需要访问共享变量，就会去高速缓存中查找，若缓存miss则从主内存（也有可能从其他核的L1L2中查找）加载（此处包含预加载，为什么要有预加载见局部性原理）

3. 通常所说的线程上下文切换过程中性能损耗是指第2步中缓存miss后的操作

4. 若高速缓存中的副本被线程修改，cpu自行决定何时（一般是cpu空闲时）把修改后的值回写到主内存

5. 若遇到Lock指令，cpu会强制回写主内存

6. 步骤4，5中的回写主内存操作会使在其他缓存了该内存地址的数据（整个缓存行cacheLine）无效

7. 当其他线程抢占任一核的时间片后，若高速缓存中的副本失效，会从主内存中重新加载共享变量

8. 高速缓存和主内存一致性同步参考MESI一致性协议

volatile

顺序性

可见性

可见性定义

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。

JVM如何实现volatile的可见性

1. JVM解释执行或者编译执行时，若遇到共享变量的写操作会强制追加Lock指令

2. 之后的过程见上面的步骤5，6，7

伪共享（并发编程的性能杀手）

伪共享描述

综合以上所述：缓存行容量为64字节（通常是，也有32的），缓存行中可以存放多个变量的副本（eg：8个long型），缓存行中任意一个变量被回写到主内存都会引起整个缓存行失效，无形中影响到了其他无竞争关系线程读取其他变量副本的成本。若这些变量中有一个被volatile修饰，那么该变量的写操作必定触发回写主内存，必定会使其他变量的副本失效，所以volatile要慎用

如何解决

• padding ，eg：Disruptor

• @sun.misc.Contended （java8及以上）

关于synchronized锁优化

锁升级不可逆，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。锁升级过程发生在运行期。编译期Jvm也会做一些优化：锁擦除，锁粒度调整

偏向锁

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。 —— 摘自《并发编程的艺术》

• 优点：惰性解锁，竞争时才解锁，同一线程再次获取锁时无需再加锁

• 缺点：偏向锁撤销需要等待全局安全点，暂停线程

轻量级锁

• 自旋锁

• 自适应自旋锁

重量级锁

• 不自旋直接阻塞线程

AQS（J.U.C.基础）

AQS

Java并发之AQS详解

条件队列

局部性原理（扩展）

1. 时间局部性

2. 空间局部性

3. 分支局部性

4. 等等

空间局部性

如果某个位置的信息被访问，那和它相邻的信息也很有可能被访问到。 这个很好理解，程序代码中有很多循环遍历数组等操作。不仅限于数组，线性（分布是连续的）数据结构都可以，比如Java对象的各个字段在堆中就是连续的内存块分布（详见Java对象的内存布局）

空间局部性的应用

1. 主内存缓存硬盘 page cache ：kafka,mysql等

mysql某个索引（索引在b+树叶子节点也是线性分布的）被命中后会一同加载该索引前后多条记录到同一个pageCache中，这样可以减少磁盘IO次数，提升查询性能。kafka的消息log在磁盘中也是按分区内的消息顺序追加的，也可以很好的利用该特性

1. cpu高速缓存主内存 cache line：redis等

redis中的数据结构散列集Hash,当key数量小于一定值时散列集会被压缩成数组就是为了利用cpu高速缓存，这也是为什么使用Hash比使用多个KV要快的原因。详见redis官网-内存优化

MESI缓存一致性协议(扩展)

缓存一致性协议MESI

• M（修改，Modified）

本地处理器已经修改缓存行，即是脏行，它的内容与内存中的内容不一样，并且此 cache 只有本地一个拷贝(专有)

• E（专有，Exclusive）

缓存行内容和内存中的一样，而且其它处理器都没有这行数据

• S（共享，Shared）

缓存行内容和内存中的一样，有可能其它处理器也存在此缓存行的拷贝

• I（无效，Invalid）

缓存行失效， 不能使用

Jvm堆中对象的内存布局

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