Java内存模型

Posted 2020-12-02 sherlin

java内存模型

什么是Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。在此之前，主流程序语言（如C/C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型，因此，会由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，因此在某些场景下就不许针对不同的平台来编写程序。

Java内存模型即要定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义；Java内存模型也必须定义地足够宽松，才能使得虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各种特性来获取更好的执行速度。

 

主内存和工作内存

Java内存模型的主要目的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。注意一下，此处的变量并不包括局部变量与方法参数，因为它们是线程私有的，不会被共享，自然也不会存在竞争，此处的变量应该是实例字段、静态字段和构成数组对象的元素。

内存间相互交互

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面体积的每一种操作都是原子的、不可再分的：

1、lock（锁定）：作用于主内存中的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态

2、unlock（解锁）：作用于主内存中的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定

3、read（读取）：作用于主内存中的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用

4、load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中

5、use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，没当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作

6、assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作

7、store（存储）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用

8、write（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中

Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足以下规则：

1、不允许read和load、store和write操作之一单独出现

2、不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了滞后必须把该变化同步回主内存

3、不允许一个线程无原因地把数据从线程的工作内存同步回主内存中

4、一个新的变量只能从主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量

5、一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁

6、如果对同一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值

7、如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它进行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量

8、对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中

 

volatile变量的特殊规则

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。

一个变量被定义为volatile后，它将具备两种特性：

1、保证此变量对所有线程的”可见性”，所谓”可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来说都是可以立即得知的，而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在在线程间传递均需要通过主内存来完成，关于volatile关键字的操作请参见volatile关键字使用举例，再强调一遍，volatile只保证了可见性，并不保证基于volatile变量的运算在并罚下是安全的

2、使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

总结一下Java内存模型对volatile变量定义的特殊规则：

1、在工作内存中，每次使用某个变量的时候都必须线从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对该变量所做的修改之后的值

2、在工作内存中，每次修改完某个变量后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程能够看见自己对该变量所做的修改

3、volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序顺序相同

 

java内存模型

 

 

根据《Java虚拟机规范》的规定，运行时数据区通常包括这几个部分：程序计数器(Program Counter Register)、Java栈(VM Stack)、本地方法栈(Native Method Stack)、方法区(Method Area)、堆(Heap)。

 

 

 

1.程序计数器

　　程序计数器（Program Counter Register），也有称作为PC寄存器。想必学过汇编语言的朋友对程序计数器这个概念并不陌生，在汇编语言中，程序计数器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所有的指令。

　　虽然JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序计数器的功能跟汇编语言中的程序计数器的功能在逻辑上是等同的，也就是说是用来指示 执行哪条指令的。

　　由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的。

　　在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。

　　由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

 

2.Java栈

　　Java栈也称作虚拟机栈（Java Vitual Machine Stack），也就是我们常常所说的栈，跟C语言的数据段中的栈类似。事实上，Java栈是Java方法执行的内存模型。为什么这么说呢？下面就来解释一下其中的原因。

　　Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池（运行时常量池的概念在方法区部分会谈到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里，大家就应该会明白为什么 在 使用 递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了以及为什么栈区的空间不用程序员去管理了（当然在Java中，程序员基本不用关系到内存分配和释放的事情，因为Java有自己的垃圾回收机制），这部分空间的分配和释放都是由系统自动实施的。对于所有的程序设计语言来说，栈这部分空间对程序员来说是不透明的。下图表示了一个Java栈的模型：

 

局部变量表，顾名思义，想必不用解释大家应该明白它的作用了吧。就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

　　操作数栈，想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

　　指向运行时常量池的引用，因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

　　方法返回地址，当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

　　由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰。

 

3.本地方法栈

　　本地方法栈与Java栈的作用和原理非常相似。区别只不过是Java栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。在JVM规范中，并没有对本地方发展的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。

 

4.堆

　　在C语言中，堆这部分空间是唯一一个程序员可以管理的内存区域。程序员可以通过malloc函数和free函数在堆上申请和释放空间。那么在Java中是怎么样的呢？

　　Java中的堆是用来存储对象本身的以及数组（当然，数组引用是存放在Java栈中的）。只不过和C语言中的不同，在Java中，程序员基本不用去关心空间释放的问题，Java的垃圾回收机制会自动进行处理。因此这部分空间也是Java垃圾收集器管理的主要区域。另外，堆是被所有线程共享的，在JVM中只有一个堆。

 

5.方法区

　　方法区在JVM中也是一个非常重要的区域，它与堆一样，是被线程共享的区域。在方法区中，存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。

　　在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。

　　在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。

　　在JVM规范中，没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”，是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域，从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。不过自从JDK7之后，Hotspot虚拟机便将运行时常量池从永久代移除了。