JVM内存结构和Java内存模型

说到Java内存模型，许多文章就以栈、堆(heap)、方法区这些名词作为解释，但它们是两个完全不同的概念，或许将JVM内存结构和Java内存模型都解释为栈、堆，是因为程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的区域是“堆”和“栈”,“方法区”这些内存结构吧，姑且这么解释。但想深入理解JVM,就必须清楚JVM内存结构和Java内存模型分别是什么。

JVM内存结构

image

JVM的内存结构大概分为：

• Java虚拟机栈(Java Stack)：线程私有。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧 [1] （Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程

• 堆(Heap): Java堆是被所有线程共享的一块内存区域。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。垃圾收集器主要管理的内存区域。

• 方法区：线程共享，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据

• 本地方法栈（Native Method Stack）：线程私有。）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native） 方法服务。如Java使用c或者c++编写的接口服务时，代码在此区运行。

Java 内存模型

Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，它定义了程序中各种变量的访问规则。Java内存模型规定了所有的变量(此处的变量与Java编程中所说的变量有所区 别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的 ，不会被共享，自然就不会存在竞争问题) 都存储在主内存（Main Memory）中。每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，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数据 。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图122所示。

image.png

这里所讲的主内存、工作内存与所讲的Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一 个层次的对内存的划分，这两者基本上是没有任何关系的。如果两者一定要勉强对应起来，那么从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分 ，而工作内存 则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说，主内存直接对应于物理硬件的内存，而为了 获取更好的运行速度，虚拟机（或者是硬件、操作系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储 于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问的是工作内存。

内存间交互操作

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这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。Java虚拟机实 现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外）

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

• unlock（解锁）：作用于主内存的变量，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。

• read（读取）：作用于主内存的变量，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。

• 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。

• 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，每当虚 拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量， 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。

• store（存储）：作用于工作内存的变量，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。

• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的 变量中。

如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按顺序执行read和load操作，如果要把变量从 工作内存同步回主内存，就要按顺序执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作 必须按顺序执行，但不要求是连续执行。也就是说read与load之间、store与write之间是可插入其他指令 的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现的顺序是read a、read b、load b、load a。除此 之外，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如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内 存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。

• 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回 主内存。

• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存 中。 ·一个新的变量只能在主内存中“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，换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行assign和load操作。

• 一个变量在同一个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。

• 如果对一个变量执行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操作以初始化变量的值。

• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个 被其他线程锁定的变量。

• 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（执行store、write操作）。

这8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后会介绍的专门针对volatile的一些特殊规定，就 已经能准确地描述出Java程序中哪些内存访问操作在并发下才是安全的。这种定义相当严谨，但也是 极为烦琐，实践起来更是无比麻烦。可能部分读者阅读到这里已经对多线程开发产生恐惧感了，后来 Java设计团队大概也意识到了这个问题，将Java内存模型的操作简化为read、write、lock和unlock四 种，但这只是语言描述上的等价化简，Java内存模型的基础设计并未改变，即使是这四操作种，对于 普通用户来说阅读使用起来仍然并不方便。不过读者对此无须过分担忧，除了进行虚拟机开发的团队 外，大概没有其他开发人员会以这种方式来思考并发问题，我们只需要理解Java内存模型的定义即可。