深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第2版）

周志明

前言

  • Java的技术体系主要由支撑Java程序运行的虚拟机、提供各开发领域接口支持的Java API、Java编程语言及许多第三方Java框架（如Spring、Struts等）构成。
  • 在虚拟机层面隐藏了底层技术的复杂性以及机器与操作系统的差异性。
  • 如果开发人员不了解虚拟机一些技术特性的运行原理，就无法写出最适合虚拟机运行和自优化的代码。
  • 走近Java、自动内存管理机制、虚拟机执行子系统、程序编译与代码优化、高效并发。
  • 代码清单可以从华章网站（http://www.hzbook.com）下载
  • Java程序从源码编译成字节码和从字节码编译成本地机器码的这两个过程，合并起来其实就等同于一个传统编译器所执行的编译过程。

第一部分 走近Java

  • 世界上并没有完美的程序，但我们并不因此而沮丧，因为写程序本来就是一个不断追求完美的过程。
  • Java不仅仅是一门编程语言，还是一个由一系列计算机软件和规范形成的技术体系
  • 把Java程序设计语言、Java虚拟机、Java API类库这三部分统称为JDK（Java Development Kit）
  • Write Once，Run Anywhere
  • 我们平时所提及的“高性能Java虚拟机”一般是指HotSpot、JRockit、J9这类在通用平台上运行的商用虚拟机，但其实Azul VM和BEA Liquid VM这类特定硬件平台专有的虚拟机才是“高性能”的武器。
  • 模块化是解决应用系统与技术平台越来越复杂、越来越庞大问题的一个重要途径。

第二部分 自动内存管理机制

  • 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
  • 对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
  • 目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
  • 通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。
  • 如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。如果没有这方面的处理经验，这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式会比较难以想到。

第3章 垃圾收集器与内存分配策略

  • “长时间执行”的最明显特征就是指令序列复用，例如方法调用、循环跳转、异常跳转等，所以具有这些功能的指令才会产生Safepoint。
  • 安全区域是指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。
  • 如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。
  • Serial收集器对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。
  • ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本
  • 并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。● 并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。
  • 自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。
  • 在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器
  • CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器
  • CMS收集器无法处理浮动垃圾（Floating Garbage），可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生
  • G1（Garbage-First）收集器是当今收集器技术发展的最前沿成果之一
  • 使用G1收集器时，Java堆的内存布局就与其他收集器有很大差别，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
  • 在G1收集器中，Region之间的对象引用以及其他收集器中的新生代与老年代之间的对象引用，虚拟机都是使用Remembered Set来避免全堆扫描的。
  • 虚拟机将这段时间对象变化记录在线程Remembered Set Logs里面，最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中，这阶段需要停顿线程，但是可并行执行
  • GC日志开头的“[GC”和“[Full GC”说明了这次垃圾收集的停顿类型，而不是用来区分新生代GC还是老年代GC的。如果有“Full”，说明这次GC是发生了Stop-The-World的
  • 后面方括号内部的“3324K->152K(3712K)”含义是“GC前该内存区域已使用容量-> GC后该内存区域已使用容量 (该内存区域总容量)”。而在方括号之外的“3324K->152K(11904K)”表示“GC前Java堆已使用容量->GC后Java堆已使用容量(Java堆总容量)”。
  • 给对象分配内存以及回收分配给对象的内存
  • 大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。
  • 新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。[插图]老年代GC（Major GC / Full GC）：指发生在老年代的GC，出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程）。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。
  • 虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值的对象直接在老年代分配
  • 虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器。如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并且对象年龄设为1。对象在Survivor区中每“熬过”一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁），就将会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置。
  • 如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。
  • JDK 6 Update 24之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行Minor GC，否则将进行Full GC。
  • 内存回收与垃圾收集器在很多时候都是影响系统性能、并发能力的主要因素之一，虚拟机之所以提供多种不同的收集器以及提供大量的调节参数，是因为只有根据实际应用需求、实现方式选择最优的收集方式才能获取最高的性能。

第4章 虚拟机性能监控与故障处理工具

  • 给一个系统定位问题的时候，知识、经验是关键基础，数据是依据，工具是运用知识处理数据的手段。这里说的数据包括：运行日志、异常堆栈、GC日志、线程快照（threaddump/javacore文件）、堆转储快照（heapdump/hprof文件）等。
  • 可以列出正在运行的虚拟机进程，并显示虚拟机执行主类（Main Class，main()函数所在的类）名称以及这些进程的本地虚拟机唯一ID（Local Virtual Machine Identifier，LVMID）。
  • jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）是用于监视虚拟机各种运行状态信息的命令行工具。它可以显示本地或者远程虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据
  • 主要分为3类：类装载、垃圾收集、运行期编译状况
  • jinfo：Java配置信息工具
  • jmap（Memory Map for Java）命令用于生成堆转储快照（一般称为heapdump或dump文件）
  • Sun JDK提供jhat（JVM Heap Analysis Tool）命令与jmap搭配使用，来分析jmap生成的堆转储快照
  • 生成线程快照的主要目的是定位线程出现长时间停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间等待等都是导致线程长时间停顿的常见原因。
  • 造成死锁的原因是Integer.valueOf()方法基于减少对象创建次数和节省内存的考虑，[-128，127]之间的数字会被缓存[插图]，当valueOf()方法传入参数在这个范围之内，将直接返回缓存中的对象。
  • BTrace[插图]是一个很“有趣”的VisualVM插件，本身也是可以独立运行的程序。它的作用是在不停止目标程序运行的前提下，通过HotSpot虚拟机的HotSwap技术[插图]动态加入原本并不存在的调试代码。

第5章 调优案例分析与实战

  • 在高性能硬件上部署程序，目前主要有两种方式：[插图]通过64位JDK来使用大内存。[插图]使用若干个32位虚拟机建立逻辑集群来利用硬件资源。
  • 使用若干个32位虚拟机建立逻辑集群来利用硬件资源。具体做法是在一台物理机器上启动多个应用服务器进程，每个服务器进程分配不同端口，然后在前端搭建一个负载均衡器，以反向代理的方式来分配访问请求。
  • 编译时间是指虚拟机的JIT编译器（Just In Time Compiler）编译热点代码（Hot Spot Code）的耗时。
  • 如果一段Java方法被调用次数达到一定程度，就会被判定为热代码交给JIT编译器即时编译为本地代码，提高运行速度（这就是HotSpot虚拟机名字的由来）。

第三部分 虚拟机执行子系统

  • 代码编译的结果从本地机器码转变为字节码，是存储格式发展的一小步，却是编程语言发展的一大步。
  • 越来越多的程序语言选择了与操作系统和机器指令集无关的、平台中立的格式作为程序编译后的存储格式。
  • 程序存储格式——字节码（ByteCode）是构成平台无关性的基石
  • Clojure、Groovy、JRuby、Jython、Scala
  • 实现语言无关性的基础仍然是虚拟机和字节码存储格式。Java虚拟机不和包括Java在内的任何语言绑定，它只与“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号表以及若干其他辅助信息。
  • 每个Class文件的头4个字节称为魔数（Magic Number），它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件
  • 类索引（this_class）和父类索引（super_class）都是一个u2类型的数据，而接口索引集合（interfaces）是一组u2类型的数据的集合，Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。
  • 字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量。字段（field）包括类级变量以及实例级变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。
  • 另外，在Java语言中字段是无法重载的，两个字段的数据类型、修饰符不管是否相同，都必须使用不一样的名称，但是对于字节码来讲，如果两个字段的描述符不一致，那字段重名就是合法的。
  • 方法里的Java代码，经过编译器编译成字节码指令后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面，属性表作为Class文件格式中最具扩展性的一种数据项目
  • Java程序方法体中的代码经过Javac编译器处理后，最终变为字节码指令存储在Code属性内。
  • 法里面，都可以通过“this”关键字访问到此方法所属的对象。这个访问机制对Java程序的编写很重要，而它的实现却非常简单，仅仅是通过Javac编译器编译的时候把对this关键字的访问转变为对一个普通方法参数的访问，然后在虚拟机调用实例方法时自动传入此参数而已。因此在实例方
  • SourceFile属性用于记录生成这个Class文件的源码文件名称
  • Synthetic属性代表此字段或者方法并不是由Java源码直接产生的，而是由编译器自行添加的
  • 加载和存储指令用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈（见第2章关于内存区域的介绍）之间来回传输
  • 运算或算术指令用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并把结果重新存入到操作栈顶
  • Java虚拟机可以支持方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步，这两种同步结构都是使用管程（Monitor）来支持的。
  • Class文件格式所具备的平台中立（不依赖于特定硬件及操作系统）、紧凑、稳定和可扩展的特点，是Java技术体系实现平台无关、语言无关两项特性的重要支柱。

第7章 虚拟机类加载机制

  • 虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。
  • 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
  • 对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。
  • 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。
  • 当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。
  • 1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。 2）将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。 3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
  • 1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。2）将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
  • 数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的
  • 验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
  • 准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。
  • 初始化阶段是执行类构造器()方法的过程
  • 由于父类的()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作
  • 虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。
  • 对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间
  • 比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。
  • 从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现[插图]，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）
  • 双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承（Inheritance）的关系来实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。
  • 双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。
  • 先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。
  • 双亲委派很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载）
  • 线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoaser()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

第8章 虚拟机字节码执行引擎

  • 执行引擎是Java虚拟机最核心的组成部分之一。“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、硬件、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由自己实现的，因此可以自行制定指令集与执行引擎的结构体系，并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
  • 栈帧（Stack Frame）是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈（Virtual Machine Stack）的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。
  • 局部变量表（Local Variable Table）是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。
  • 局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot，下称Slot）为最小单位
  • 操作数栈（Operand Stack）也常称为操作栈，它是一个后入先出（Last In First Out, LIFO）栈
  • 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用
  • 这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。
  • 方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本，并且这个方法的调用版本在运行期是不可改变的。换句话说，调用目标在程序代码写好、编译器进行编译时就必须确定下来。这类方法的调用称为解析（Resolution）。
  • 虚拟机（准确地说是编译器）在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判定依据的
  • 可见变长参数的重载优先级是最低的
  • 方法的接收者与方法的参数统称为方法的宗量
  • 所以Java语言的静态分派属于多分派类型。
  • Java语言的动态分派属于单分派类型。
  • 今天（直至还未发布的Java 1.8）的Java语言是一门静态多分派、动态单分派的语言。
  • 方法表一般在类加载的连接阶段进行初始化，准备了类的变量初始值后，虚拟机会把该类的方法表也初始化完毕。
  • 动态类型语言的关键特征是它的类型检查的主体过程是在运行期而不是编译期
  • “变量无类型而变量值才有类型”这个特点也是动态类型语言的一个重要特征。
  • 静态类型语言在编译期确定类型，最显著的好处是编译器可以提供严谨的类型检查，这样与类型相关的问题能在编码的时候就及时发现，利于稳定性及代码达到更大规模。而动态类型语言在运行期确定类型，这可以为开发人员提供更大的灵活性，某些在静态类型语言中需用大量“臃肿”代码来实现的功能，由动态类型语言来实现可能会更加清晰和简洁，清晰和简洁通常也就意味着开发效率的提升。
  • 方法的符号引用在编译时产生，而动态类型语言只有在运行期才能确定接收者类型。
  • Reflection API的设计目标是只为Java语言服务的，而MethodHandle则设计成可服务于所有Java虚拟机之上的语言，其中也包括Java语言
  • invokedynamic指令与前面4条“invoke*”指令的最大差别就是它的分派逻辑不是由虚拟机决定的，而是由程序员决定。
  • 许多Java虚拟机的执行引擎在执行Java代码的时候都有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（通过即时编译器产生本地代码执行）两种选择
  • Java编译器输出的指令流，基本上是一种基于栈的指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA），指令流中的指令大部分都是零地址指令，它们依赖操作数栈进行工作。
  • 基于栈的指令集主要的优点就是可移植，寄存器由硬件直接提供[插图]，程序直接依赖这些硬件寄存器则不可避免地要受到硬件的约束。
  • 栈架构指令集的主要缺点是执行速度相对来说会稍慢一些。所有主流物理机的指令集都是寄存器架构也从侧面印证了这一点。

第9章 类加载及执行子系统的案例与实战

  • 能通过程序进行操作的，主要是字节码生成与类加载器这两部分的功能
  • 学习JEE规范，去看JBoss源码；学习类加载器，就去看OSGi源码

第四部分 程序编译与代码优化

  • 语法分析是根据Token序列构造抽象语法树的过程，抽象语法树（Abstract Syntax Tree, AST）是一种用来描述程序代码语法结构的树形表示方式，语法树的每一个节点都代表着程序代码中的一个语法结构（Construct），例如包、类型、修饰符、运算符、接口、返回值甚至代码注释等都可以是一个语法结构。
  • Java语言当然也可以进行条件编译，方法就是使用条件为常量的if语句。

第11章 晚期（运行期）优化

  • 解释器与编译器两者各有优势：当程序需要迅速启动和执行的时候，解释器可以首先发挥作用，省去编译的时间，立即执行。在程序运行后，随着时间的推移，编译器逐渐发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码之后，可以获取更高的执行效率。
  • 这种编译方式因为编译发生在方法执行过程之中，因此形象地称之为栈上替换（On Stack Replacement，简称为OSR编译，即方法栈帧还在栈上，方法就被替换了）。
  • 判断一段代码是不是热点代码，是不是需要触发即时编译，这样的行为称为热点探测（Hot Spot Detection）
  • 即时编译器产生的本地代码会比Javac产生的字节码更加优秀。
  • 即时编译器产生的本地代码会比Javac产生的字节码更加优秀[插图]。
  • 方法内联的重要性要高于其他优化措施，它的主要目的有两个，一是去除方法调用的成本（如建立栈帧等），二是为其他优化建立良好的基础，方法内联膨胀之后可以便于在更大范围上采取后续的优化手段，从而获取更好的优化效果
  • [插图]语言无关的经典优化技术之一：公共子表达式消除。[插图]语言相关的经典优化技术之一：数组范围检查消除。[插图]最重要的优化技术之一：方法内联。[插图]最前沿的优化技术之一：逃逸分析。
  • 要消除这些隐式开销，除了如数组边界检查优化这种尽可能把运行期检查提到编译期完成的思路之外，另外还有一种避免思路——隐式异常处理，Java中空指针检查和算术运算中除数为零的检查都采用了这种思路。
  • Java语言的这些性能上的劣势都是为了换取开发效率上的优势而付出的代价，动态安全、动态扩展、垃圾回收这些“拖后腿”的特性都为Java语言的开发效率做出了很大贡献。

第五部分 高效并发

  • 无论语言、中间件和框架如何先进，开发人员都不能期望它们能独立完成所有并发处理的事情，了解并发的内幕也是成为一个高级程序员不可缺少的课程。
  • 由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。
  • Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节
  • 线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝[插图]，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量[插图]。
  • 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。[插图]变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
  • 使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化
  • 如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。
  • 时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。
  • 我们注意到Thread类与大部分的Java API有显著的差别，它的所有关键方法都是声明为Native的
  • 实现线程主要有3种方式：使用内核线程实现、使用用户线程实现和使用用户线程加轻量级进程混合实现。
  • 线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要调度方式有两种，分别是协同式线程调度（Cooperative Threads-Scheduling）和抢占式线程调度（Preemptive Threads-Scheduling）。
  • 线程优先级并不是太靠谱，原因是Java的线程是通过映射到系统的原生线程上来实现的，所以线程调度最终还是取决于操作系统，虽然现在很多操作系统都提供线程优先级的概念，但是并不见得能与Java线程的优先级一一对应

第13章 线程安全与锁优化

  • 当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的
  • 可以将Java语言中各种操作共享的数据分为以下5类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。
  • 保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种，其中最简单的就是把对象中带有状态的变量都声明为final，这样在构造函数结束之后，它就是不可变的
  • 相对的线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全，它需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，我们在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。
  • 线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数时候指的是这一种情况。
  • 线程对立是指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。
  • 相比synchronized，ReentrantLock增加了一些高级功能，主要有以下3项：等待可中断、可实现公平锁，以及锁可以绑定多个条件。
  • 如果一个方法，它的返回结果是可以预测的，只要输入了相同的数据，就都能返回相同的结果，那它就满足可重入性的要求，当然也就是线程安全的。
  • 但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。
  • 如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
  • 轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。
  • 如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。
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