Java内存模型与JVM （二）

2017-08-18 本文已影响326人 Arya鑫

第一步，了解JVM基本概念，基本结构。

第二步，了解JVM中线程私有区和公有区。

第三步，了解线程与Java内存模型。

第四步，了解并发编程

JVM的基础概念

JVM的中文名称叫Java虚拟机，它是由软件技术模拟出计算机运行的一个虚拟的计算机。

JVM也充当着一个翻译官的角色，我们编写出的Java程序，是不能够被操作系统所直接识别的，这时候JVM的作用就体现出来了，它负责把我们的程序翻译给系统“听”，告诉它我们的程序需要做什么操作。

我们都知道Java的程序需要经过编译后，产生.Class文件，JVM才能识别并运行它，JVM针对每个操作系统开发其对应的解释器，所以只要其操作系统有对应版本的JVM，那么这份Java编译后的代码就能够运行起来，这就是Java能一次编译，到处运行的原因。

JVM运行时数据区

JVM体系结构

总内存=堆内存(Xmx)+方法区内存(MaxPermSize)+栈内存(Xss)*线程数+直接内存(MaxDirectMemorySize,堆外)+虚拟机内存

1、class文件：

虚拟机并不关心Class的来源是什么语言，只要它符合Java class文件格式就可以在Java虚拟机中运行。使用Java编译器可以把Java代码编译为存储字节码的Class文件，使用JRuby等其他语言的编译器一样可以把程序代码编译成Class文件。

2、类装载器子系统：

负责查找并装载Class 文件到内存，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型。

3、方法区：

在类装载器加载class文件到内存的过程中，虚拟机会提取其中的类型信息，并将这些信息存储到方法区。方法区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等数据。由于所有线程都共享方法区，因此它们对方法区数据的访问必须被设计为是线程安全的。

对于每一个加载的类型，会在方法区中保存以下信息：

类及其父类的全限定名（java.lang.Object没有父类）

类的类型（Class or Interface）

访问修饰符（public, abstract, final）

实现的接口的全限定名的列表

常量池

字段信息

方法信息

除常量外的静态变量

ClassLoader引用

Class引用

对于每一个字段，会在方法区中保存以下信息（字段声明顺序也会保存）：

字段名

字段的类型

字段的修饰符(public, private , protected, static, final, volatile, transient)

对于每一个方法，会在方法区中保存以下信息（方法声明顺序也会保存）：

方法名

方法返回类型（或void）

参数信息

方法修饰符(public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract)

如果方法不是抽象方法并不是本地方法（Native Method），还会保存以下信息：

方法的字节码

本地变量表及操作数栈的大小

异常表

虚拟机需要存储一些数据，用来快速地访问一个类对象中的方法，一般实现为一个方法表。

方法区中还有一部分是运行时常量池，主要用来存储编译时生成的字面量和符号引用，常量也可以在运行时产生，如String的intern方法。

方法区中也可能存在GC，但虚拟机规范对此不做要求，主要是回收一些常量和卸载一些不用的类型信息，不过要卸载一个类的条件很难达到，而且些处GC其实也回收不了多少内存。

JVM常量池也称之为运行时常量池，它是方法区（Method Area）的一部分。用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。由“用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用”这句话可见，常量池中存储的是对象的引用而不是对象的本身。

4、堆：

存储Java程序创建的类实例。所有线程共享，因此设计程序时也要考虑到多线程访问对象(堆数据)的同步问题。堆的存取类型为管道类型，先进先出。

5、Java栈：

Java栈是线程私有的。每当启动一个新线程时，Java虚拟机都会为它分配一个Java栈。Java栈以帧为单位保存线程的运行状态。虚拟机只会直接对Java栈执行两种操作：以帧为单位的压栈或出栈。当线程调用java方法时，虚拟机压入一个新的栈帧到该线程的java栈中。当方法返回时，这个栈帧被从java栈中弹出并抛弃。一个栈帧包含一个java方法的调用状态，它存储有局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。

6、程序计数器：

一个运行中的Java程序，每当启动一个新线程时，都会为这个新线程创建一个自己的PC(程序计数器)寄存器。程序计数器的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空(Undefined)

7、本地方法栈：

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过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Native方法服务。任何本地方法接口都会使用某种本地方法栈。当线程调用Java方法时，虚拟机会创建一个新的栈帧并压入Java栈。然而当它调用的是本地方法时，虚拟机会保持Java栈不变，不再在线程的Java栈中压入新的帧，虚拟机只是简单地动态链接并直接调用指定的本地方法。如果某个虚拟机实现的本地方法接口是使用C连接模型的话，那么它的本地方法栈就是C栈

8、执行引擎：

负责执行字节码。方法的字节码是由Java虚拟机的指令序列构成的。每一条指令包含一个单字节的操作码，后面跟随0个或多个操作数。执行引擎执行字节码时，首先取得一个操作码，如果操作码有操作数，取得它的操作数。它执行操作码和跟随的操作数规定的动作，然后再取得下一个操作码。这个执行字节码的过程在线程完成前将一直持续。

虚拟机中线程的私有与共享区

JVM内存分为两个主要区域，一个是所有线程共享的数据区，一个是线程隔离数据区线程私有。

线程隔离数据区

1、程序计数器(Program Counter Register)：

一小块内存空间，单前线程所执行的字节码行号指示器。字节码解释器工作时，通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

2、JVM虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)：

Java方法执行内存模型，用于存储局部变量，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。是线程私有的。

3、本地方法栈(Native Method Stacks)：

为JVM用到的Native方法服务，Sun HotSpot 虚拟机把本地方法栈和JVM虚拟机栈合二为一。是线程私有的。

线程共享的数据区

1、方法区Method Area）：

用于存储JVM加载的类信息、常量、静态变量、即使编译器编译后的代码等数据。

2、运行时常量池Runtime Constant Pool）：

是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法取得运行时常量池中。具备动态性，用的比较多的就是String类的intern()方法。

3、JVM堆 Java Virtual Machine Heap）：

存放所有对象实例的地方。

新生代，由Eden Space 和大小相同的两块Survivor组成

旧生待，存放经过多次垃圾回收仍然存活的对象

4、直接内存Direct Memory）：

它并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是JAVA虚拟机规范中定义的内存区域。在JDK1.4中加入了NIO类，引入了一种基于通道(Channel)于缓冲区(Buffer)的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在JAVA堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在JAVA堆中和Native堆中来回复制数据。

Java内存模型

Java内存模型即JavaMemory Model，简称JMM。JMM定义了Java 虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。JVM是整个计算机虚拟模型，所以JMM是隶属于JVM的。

Java内存模型规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的。Java虚拟机是一个完整的计算机的一个模型，因此这个模型自然也包含一个内存模型——又称为Java内存模型。

Java内存模型把Java虚拟机内部划分为线程栈和堆。

每一个运行在Java虚拟机里的线程都拥有自己的线程栈。这个线程栈包含了这个线程调用的方法当前执行点相关的信息。一个线程仅能访问自己的线程栈。一个线程创建的本地变量对其它线程不可见，仅自己可见。即使两个线程执行同样的代码，这两个线程任然在在自己的线程栈中的代码来创建本地变量。因此，每个线程拥有每个本地变量的独有版本。

所有原始类型的本地变量都存放在线程栈上，因此对其它线程不可见。一个线程可能向另一个线程传递一个原始类型变量的拷贝，但是它不能共享这个原始类型变量自身。

堆上包含在Java程序中创建的所有对象，无论是哪一个对象创建的。这包括原始类型的对象版本。如果一个对象被创建然后赋值给一个局部变量，或者用来作为另一个对象的成员变量，这个对象任然是存放在堆上。

一个本地变量可能是原始类型，在这种情况下，它总是“呆在”线程栈上。

一个本地变量也可能是指向一个对象的一个引用。在这种情况下，引用（这个本地变量）存放在线程栈上，但是对象本身存放在堆上。

一个对象可能包含方法，这些方法可能包含本地变量。这些本地变量任然存放在线程栈上，即使这些方法所属的对象存放在堆上。

一个对象的成员变量可能随着这个对象自身存放在堆上。不管这个成员变量是原始类型还是引用类型。

静态成员变量跟随着类定义一起也存放在堆上。

存放在堆上的对象可以被所有持有对这个对象引用的线程访问。当一个线程可以访问一个对象时，它也可以访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用同一个对象上的同一个方法，它们将会都访问这个对象的成员变量，但是每一个线程都拥有这个本地变量的私有拷贝。

如果你想设计表现良好的并发程序，理解Java内存模型是非常重要的。Java内存模型规定了如何和何时可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量。

原始的Java内存模型存在一些不足，因此Java内存模型在Java1.5时被重新修订。这个版本的Java内存模型在Java8中人在使用。

Java内存模型内部原理

Java内存模型把Java虚拟机内部划分为线程栈和堆。这张图演示了Java内存模型的逻辑视图。

一个本地变量可能是原始类型，在这种情况下，它总是“呆在”线程栈上。

一个本地变量也可能是指向一个对象的一个引用。在这种情况下，引用（这个本地变量）存放在线程栈上，但是对象本身存放在堆上。

一个对象可能包含方法，这些方法可能包含本地变量。这些本地变量任然存放在线程栈上，即使这些方法所属的对象存放在堆上。

一个对象的成员变量可能随着这个对象自身存放在堆上。不管这个成员变量是原始类型还是引用类型。

静态成员变量跟随着类定义一起也存放在堆上。

下图演示了上面提到的点：

如果两个线程同时执行run()方法，就会出现上图所示的情景。run()方法调用methodOne()方法，methodOne()调用methodTwo()方法。

methodOne()声明了一个原始类型的本地变量和一个引用类型的本地变量。

每个线程执行methodOne()都会在它们对应的线程栈上创建localVariable1和localVariable2的私有拷贝。localVariable1变量彼此完全独立，仅“生活”在每个线程的线程栈上。一个线程看不到另一个线程对它的localVariable1私有拷贝做出的修改。

每个线程执行methodOne()时也将会创建它们各自的localVariable2拷贝。然而，两个localVariable2的不同拷贝都指向堆上的同一个对象。代码中通过一个静态变量设置localVariable2指向一个对象引用。仅存在一个静态变量的一份拷贝，这份拷贝存放在堆上。因此，localVariable2的两份拷贝都指向由MySharedObject指向的静态变量的同一个实例。MySharedObject实例也存放在堆上。它对应于上图中的Object3。

注意，MySharedObject类也包含两个成员变量。这些成员变量随着这个对象存放在堆上。这两个成员变量指向另外两个Integer对象。这些Integer对象对应于上图中的Object2和Object4.

注意，methodTwo()创建一个名为localVariable的本地变量。这个成员变量是一个指向一个Integer对象的对象引用。这个方法设置localVariable1引用指向一个新的Integer实例。在执行methodTwo方法时，localVariable1引用将会在每个线程中存放一份拷贝。这两个Integer对象实例化将会被存储堆上，但是每次执行这个方法时，这个方法都会创建一个新的Integer对象，两个线程执行这个方法将会创建两个不同的Integer实例。methodTwo方法创建的Integer对象对应于上图中的Object1和Object5。

还有一点，MySharedObject类中的两个long类型的成员变量是原始类型的。因为，这些变量是成员变量，所以它们任然随着该对象存放在堆上，仅有本地变量存放在线程栈上。

并发编程

在并发编程领域，有两个关键问题：线程之间的通信和同步。

线程之间的通信

线程的通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种共享内存和消息传递。

1、共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信，典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。

2、消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信，在java中典型的消息传递方式就是wait()和notify()。

线程之间的同步

同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。

在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。

在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的。

http://www.importnew.com/19612.html

http://ifeve.com/java-memory-model-0/

http://www.cnblogs.com/evan2012/archive/2012/05/09/2489417.html

http://www.cnblogs.com/angeldevil/p/3801189.html

http://www.cnblogs.com/CongLollipop/p/6665606.html