JVM-jvm的内存结构和内存模型

Posted 2021-04-17 it江湖之旅

前言

上一篇咱们介绍了，jvm的类加载机制和流程，这篇咱们就说一下，jvm把类加载到以后在内存里面是如何分配的（jvm内存结构），以及在运行过程中为了提升程序性能而做的内存模型。

JVM的内存结构

1.程序计数器:用来记录每一个线程中下一条要执行的指令，线程之间互不影响相互独立。(线程私有)
2.Java虚拟机栈:它的生命周期与线程相同。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，存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。可能抛出的异常StackOverflowError和OutOfMemoryError（线程私有）
3.本地方法栈:发挥的作用于虚拟机栈类似，管理的是本地方法。可能抛出的异常StackOverflowError和OutOfMemoryError（线程私有）
4.Java堆:内存中最重要的部分，几乎所有的对象和数组都是在堆内存分配空间的。(线程共享)堆内存可以简单分为新生代(eden区、{S0、S1经过一次GC})和老年代，新生代指的是新建的对象，而老年代指的是经过垃圾回收次数较多的对象。
5.方法区:保存类的元数据(类的类型信息、常量池、域信息、方法信息)，GC主要回收常量池和元数据。(线程共享)可以通过参数分配内存的大小，也可以打印内存回收信息。[jdk1.8永久代背取消换成了元数据区，常量池移到了堆内存]

再看一个上一篇文章的图，体会一下各个区的大致关系

JVM的内存模型

为什么会有jvm的内存模型？

我们知道，计算机CPU和内存的交互是最频繁的，内存是我们的高速缓存区，用户磁盘和CPU的交互，而CPU运转速度越来越快，磁盘远远跟不上CPU的读写速度，才设计了内存，用户缓冲用户IO等待导致CPU的等待成本，但是随着CPU的发展，内存的读写速度也远远跟不上CPU的读写速度，因此，为了解决这一纠纷，CPU厂商在每颗CPU上加入了高速缓存，用来缓解这种症状。其实就是一句话为了提高执行的效率。

java为了提高程序的执行效率，所以也采用了这种类似的方式，这就是咱们熟悉了JVM内存模型了。

那么这种方式会带来什么问题呢？

如果有两个线程共享同一个变量，由于jvm的内存模型的存在，他们其实操作的都是各自工作内存的值，那么最后他们是如何通信的呢，就是数据最后如何达成一致呢？

1、 线程1将自己工作内存中的X更新为1并刷新到主内存中；

2、 线程2从主内存读取变量X=1，更新到自己的工作内存中，从而线程2读取的X就是线程1更新后的值。

从上面的流程看出线程之间的通信都需要经过主内存，而主内存与工作内存的交互，则需要Java内存模型（JMM）来管理器。下图演示了JMM如何管理主内存和工作内存：

当线程1需要将一个更新后的变量值刷新到主内存中时，需要经过两个步骤：

1、 工作内存执行store操作；

2、 主内存执行write操作；

完成这两步即可将工作内存中的变量值刷新到主内存，即线程1工作内存和主内存的变量值保持一致；

当线程2需要从主内存中读取变量的最新值时，同样需要经过两个步骤：

1、主内存执行read操作，将变量值从主内存中读取出来；

2、工作内存执行load操作，将读取出来的变量值更新到本地内存的副本；

完成这两步，线程2的变量和主内存的变量值就保持一致了。

内存的可见性问题？

由于工作内存这个中间层的出现，线程1和线程2必然存在延迟的问题，例如线程1在工作内存中更新了变量，但还没刷新到主内存，而此时线程2获取到的变量值就是未更新的变量值，又或者线程1成功将变量更新到主内存，但线程2依然使用自己工作内存中的变量值，同样会出问题。不管出现哪种情况都可能导致线程间的通信不能达到预期的目的。

咱们来看一个代码：

public class VolitileTest implements Runnable{    
      private boolean flag = true;    
      public void stop(){     flag=false;    } @Override 
       public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程开始"); while (flag) { } System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程结束"); } 
           public static void main(String[] args) { System.out.println("进入主线程"); VolitileTest volitileTest = new  VolitileTest(); Thread thread = new Thread(volitileTest,"t1"); thread.start(); try { thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } volitileTest.stop();      System.out.println("flag="+volitileTest.flag); System.out.println("主线程结束"); } }

结果发现程序是一直在运行的，咱们自己设置的false没有起作用，这主要就是jmm导致的问题，因为t1线程进行了一个休眠，此时调用stop值进行了一个flag修改成了false,但是并没有同步到t1线程，t1线程一直使用的还是自己的工作线程中的值true.所以程序不会停止。

那么如何实现内存的可见性呢？

这时变量可以使用volatile关键字进行修饰，就可以帮我们实现内存的可见性了。加上关键字工作内存的值发生修改后，就可以强制将值刷新到主内存中，而且使参与操作共享资源的其他工作内存的值实效，这样其他线程就会强制去，主内存中去读取数据，从而保证了内存的可见性。  当然volatile除了解决了内存的可见性问题，他也可以禁止JVM的指令重排序。但是他不具备原子性。

未完待续。。。。。下一篇预告：JVM-jvm的垃圾回收算法