大郎！快起來看多執行緒啦！

羅拉快跑跑跑跑發表於2020-11-29
執行緒

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一杯茶一包煙，一個Bug改一天！!相信很多“愛碼仕”都曾經對著電腦幾個小時就為改一個bug，最後是在美團小哥指點下修復的。他曾經也是王者，不為別的，就是喜歡送外賣鍛鍊身體還能遠離產品經理和測試。
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      言歸正傳，本文還是個不正經的多執行緒教程，呃...也算不上教程，個人筆記吧。主要解答一下上文留下的兩個問題：快取一致性協議再詳細說一下JMM(Java Memory Mode)，最後再講一下Java物件在堆空間的佈局。等等，哪裡不對，這不是講多執行緒的文章嗎？怎麼沒內味了？稍安勿躁，多執行緒要寫滴，但是寫之前，還是要了解一下更深層次的東西，深入原理，方可百戰不殆，阿彌陀佛~~
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快取一致性協議

話不多說，我們先拆解一下這7個字。

      快取：不用說了吧，就是為了讓讀更快嘛。有客戶端快取、服務端快取、資料庫快取、本地快取、CDN快取、分散式快取、CPU快取等等等等，而本文主要是針對CPU快取來介紹的，其他快取只要你關注（都黑體加粗了，給個三連吧），我會快馬加鞭的寫。

      一致性：在CPU快取中，這個一致性就是強調在多執行緒併發場景下CPU的本地快取和主存中資料的一致性，而這個資料就是指多個執行緒都要用到的共享資料，即我們常說的臨界資源。

      協議：更簡單了，就是認為規定的東西，讓硬體軟體都必須準守的規則，讓它們必須在給定的框框裡工作執行。

      到這裡就拆解完成了，那麼有哪些快取一致性協議呢？它們由什麼來確定的呢？又和我寫CRUD有啥關係呢？
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      首先，快取一致性協議有很多種，比如：MESI（最常見）、MSI、MOSI、FireFly等等，歡迎大佬們評論區補充。而具體使用哪一種，其實是由CPU架構決定的，也就是說安心寫BUG吧，開發人員無需考慮CPU架構的問題，因為我們有JVM（Java Virtual Machine），遮蔽了平臺間的差異性解決了跨平臺的問題，哪有什麼歲月靜好，不過是有人在負重前行罷了。但是你要知道這些東西，畢竟我們是網際網路的弄潮兒，giao~~~~

接下來還是上圖：
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      這樣更直觀一些，當CPU1快取行中有A，B且剛好要對其中的A做修改，CPU2也快取了同樣的快取行且對A圖謀不軌。那這時候就需要工程師來制定協議了：讓多顆CPU在同時使用共享資料時，保持資料的一致性，即快取一致性協議。協議型別前邊已經說過了，不同的型別有不同的解決方案。可以通過監聽CPU匯流排的方式實現，也可以在當CPU1修改A時強制其它所有CPU中含有A的快取行同步更新。具體平臺的實現還是看CPU架構

快取行又是個什麼東西？

CPU為了最求極致的程式碼執行效率。當從記憶體中讀取資料時，並不僅僅只讀自己想要的部分。而是讀取足夠的位元組來填入快取記憶體行。快取行的大小通常為2的整數冪，常見的為32位元組和64位元組。

      快取行帶來的是更加高效的資料載入，但同時也帶來了快取行偽共享的問題，還是按上面的圖來說：當CPU1只使用A值，CPU2只使用B值，但是由於快取行的存在且A，B兩個值相鄰，那麼無論哪個CPU修改了自己需要的值，都需要通過匯流排通知對方做更新操作，這樣就影響了效率。解決方案也很簡單： 以64位元組長度快取行為例，在建立A或者B的時候，在值的前後分別補齊7個Long型別的“佔位符”，你問為什麼是7個？因為7個Long型別是7*8=56個位元組，這樣填充之後，無論怎麼載入A，B都不會出現在同一個快取行中，也就規避了偽共享的問題。有關快取行以及偽共享的額詳細介紹請看：https://www.jianshu.com/p/e338b550850f 和 https://blog.csdn.net/u010983881/article/details/82704733

最後補充一張我的圖如下：
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紅色圈代表一個64位元組快取行大小，這樣無論怎麼載入，都不會存在A，B同時被載入到同一快取行中。

JMM詳解

      在上一篇文章中，大概說了JMM是個什麼東西，也丟了一張圖進去。那麼這回我們就再詳細一點介紹下什麼是JMM（Java Memory Mode），還是要強調一下，它是一種抽象層的規範，而且一定要跟Java執行時記憶體空間區分開來，兩者有聯絡，但也有很大區別。再把上節的圖拿過來說吧（有興趣可以掃碼關注不迷路）：

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      一句話來說就是：JMM是一種java虛擬機器規範（看見沒，又是規範，前輩們規定的），其目的是遮蔽掉各種硬體和作業系統的記憶體訪問差異，制定了虛擬機器與計算機記憶體互動要遵循的規章制度，讓我們們工程師兄弟姐妹們安心寫BUG。

      從圖裡可以看出，在JMM的規範中，存在本地工作記憶體和主記憶體兩個概念，前者是執行緒私有的後者是執行緒間共享的，此時你是不是想到了JVM裡面的堆、棧、方法區、計數器、常量池等等？沒想到就面壁去（看《深入理解Java虛擬機器》）。沒錯，他們之間存在是有若無的關係，但卻不是一個層次的概念。因為JVM裡面對記憶體空間的劃分是確確實實存在的，而JMM僅僅是抽象規範，指導思想而已。等多執行緒寫完了，再寫JVM的文章，會詳細介紹記憶體區域劃分。
回到主題接著說JMM，還是丟擲以下幾個個問題：

什麼是工作記憶體？

      存放當前方法的所有本地變數資訊，執行緒中的本地變數對其他執行緒是不可見的，不同的執行緒即使用到的是主記憶體中的同一個共享資料，也都只是拷貝一個副本在自己的工作記憶體中做操作，最後重新整理回主存。因此執行緒本地記憶體中的資料是執行緒私有且執行緒安全的（其他執行緒看都看不到能不安全嗎？）。

什麼是主記憶體？

      主要是存放Java的例項物件，也包括了一些共享的類的資訊、常量、靜態變數等，被定義為多執行緒共享的區域。

JMM又是如何規範資料訪問的？

      執行緒的執行離不開資料，主記憶體與工作記憶體之間的具體互動協議，即一個變數如何從主記憶體拷貝到工作記憶體、如何從工作記憶體同步到主記憶體之間的實現細節，JMM定義了八種原子操作來完成。來，我把上面的圖升級一下。然後再看個表格。
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原子操作 說明
lock(鎖定) 作用於主記憶體變數,標識變數為某個執行緒的獨享狀態
read(讀取) 作用於主記憶體變數,將變數值從主存傳輸到執行緒的工作記憶體中
load(載入) 作用於工作記憶體變數,將read操作得到的變數值放入工作記憶體的變數副本中
use (使用) 作用於工作記憶體變數,把工作記憶體中的一個變數值傳遞給執行引擎
assign(賦值) 作用於工作記憶體變數,它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作記憶體的變數
store (儲存) 作用於工作記憶體變數,把工作記憶體中的一個變數值傳送到主記憶體中,以便隨後的write的操作
write (寫入) 作用於主記憶體變數,把store操作從工作記憶體中一個變數的值傳送到主記憶體的變數中
unlock(解鎖) 作用於主記憶體變數,把一個處於鎖定狀態的變數釋放出,釋放後的變數才可以被其他執行緒鎖定

      總結一下：前面說的，其實在開發過程中99%的開發人員都用不到，有用得到的大佬，可以留言討論一波。Volatile通過禁止指令重排以及CPU匯流排監聽機制，解決可見性和有序性問題，Synchronized解決了原子性問題，但是其內部還是存在編譯優化的操作，這個後續在Synchronized的專題文章中會詳細介紹。關於JMM更多更深入的文章請看：http://ifeve.com/jmm-cookbook/

Java物件在堆空間的排兵佈陣

      講多執行緒，為啥要說物件在堆空間的排布呢？為了知己知彼，也是為了方便理解Synchronized是如何在底層加鎖的。而且，不管你會不會，面試的時候肯定問，所以學不學呢？哈哈哈哈...

      我們每次新建的物件例項，其實它在堆空間中是被分為三個部分：物件頭、例項資料以及物件填充（是不是很熟悉？前面在講CPU快取一致性協議的時候有說到快取行對齊）。所以，很多知識學著學著，就都對上了，從很多CPU級別的微觀協議，就能推匯出巨集觀的微服務級別的協議。扯遠了，接著說正題！！！對Java象頭其實又分為了Mark Word、Class Point和陣列長度三部分。

物件頭（Object Head）

      Mark Word這部分資料的大小為64位，其中資料包含HashCode、GC分代年齡、偏向鎖位，鎖標誌位等，如果是偏向鎖還會記錄偏向鎖偏向的執行緒ID。而我們熟知的（如果你還不熟知，可以Google一下，或者等我的文章也行）鎖升級，鎖撤銷等等一系列操作，都會在物件頭中找到端倪，狀態都是一一對應的。你說，這些如果滾瓜爛熟了，還會害怕面試官嗎？當然，今天不展開說了，這裡只講佈局。
      Class Point可以理解為就是一個指標，指向描述這個物件型別的class。在64位系統中佔64位，也就是8個位元組，而在32位系統只佔4個位元組。但是為了節省空間（這些研究人員，真是把效能優化到極致，到了我這卻....慘不忍睹啊！！！），在JDK1.6以後預設開啟指標壓縮-XX:+UseCompressedClassPointers，64位系統的也是4位比如問候後邊的Student student = new Student();那麼這個Class Point就是指向的Student.class，因為這個class的內部具體描述了當前這個物件的內部屬性及方法。
      陣列長度（Array Length）這個好理解，就是如果物件是一個陣列物件，那麼這裡儲存的就是陣列的長度。非陣列物件是沒有這塊記憶體區域的，這是在分配記憶體空間的時候就已經確定了的。

例項資料（Instance Data）

這個也簡單，就是你建立的物件真正儲存的資訊，包括自己內部定義的屬性和從父類繼承的屬性。常見的就是一些String、Integer啥的。這個沒啥特別的

物件填充（Padding）

      可以理解為佔位符，還是基於虛擬機器的一些規範，因為Java都是自動記憶體管理，為了方便管理，生成的物件佔用的空間必須為8位元組的整數倍，如果不足整數倍就補空白空間，避免在垃圾回收的時候產生不必要的記憶體空間碎片，增加垃圾回收的壓力。

注：以上資料均預設在64位系統中，32位系統，看官們可以自己測一下，虛擬機器均指HotSport
下面用一張圖，展示一下物件在堆空間的排布狀況：
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嗯~nice，可是口說無憑，我們們上程式碼，在new個阿貓阿狗的看看到底各個部分佔用的空間情況吧。

引入依賴jol-core

openjdk提供的依賴jar，可以協助我們檢視堆中物件各個模組佔用的空間大小

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

上程式碼

/**
 * FileName: JavaObjectMode
 * Author:   RollerRunning
 * Date:     2020/11/28 7:12 PM
 * Description:檢視Java物件在記憶體中的佈局
 */
public class JavaObjectMode {
    public static void main(String[] args) {
        //建立物件
        Student student = new Student();
        // 獲得物件佈局內容
        String s = ClassLayout.parseInstance(student).toPrintable();
        // 列印物件佈局
        System.out.println(s);
    }
}

class Student{
    private String name;
    private String address;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getAddress() {
        return address;
    }

    public void setAddress(String address) {
        this.address = address;
    }
}

上結果

大家有興趣也可以CV一下，自己看看。
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      那結果有了，重點已經圈出來了，分析一波吧？別往下看了，自己先看看，再想十秒鐘。1，2，3，4，5，6，7，8，9，10。好，分析開始！

      第一個圈，圈出來的是物件頭的內容，依次往下是物件的值和一行英文(loss due to the next object alignment)表示對齊填充，增加了一個4位元組的填充，剛好是24位元組，能夠被8整除，滿足了虛擬機器規範，這就是對齊填充價值所在。而後邊的紅圈圈則是當前物件的一個概況，沒啥意義，就是想畫個圈（畫錯了又懶得改而已.....），回到第一個圈圈物件頭，前兩行一共是8位元組，64位的Mark Word。而OFFSET從8開始size為4的那一行就是前面說的Class Point。

      好了，我肝完了，最後賣個關子，請注意一下最後一列的前三行，下一篇文章會根據這三行結合Synchronized關鍵字展開說。

最後，感謝各位觀眾老爺，還請三連！！！
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