JVM内存结构 VS Java内存模型 VS Java对象模型

• 整体方向
• JVM内存结构，和Java虚拟机的运行时区域有关。
• Java内存模型，和Java的并发编程有关。
• Java对象模型，和Java对象在虚拟机中表现形式有关。

image.png

Java对象模型

• Java对象自身的存储模型
• JVM会给这个类创建一个instanceKlass,保存在方法区，用来在JVM层表示该Java类。
• 当我们在Java代码中，使用new创建一个对象的时候，JVM会创建一个instanceOopDesc对象，这个对象中包含了对象头以及实例数据。

1.重排序

1.1重排序的代码案例

/**
 * 描述：     演示重排序的现象 “直到达到某个条件才停止”，测试小概率事件
 */
public class OutOfOrderExecution {

    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        for (; ; ) {
            i++;
            x = 0;
            y = 0;
            a = 0;
            b = 0;

            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

            Thread one = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        latch.countDown();
                        latch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            });
            Thread two = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        latch.countDown();
                        latch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            });
            two.start();
            one.start();
            latch.countDown();
            one.join();
            two.join();

            String result = "第" + i + "次（" + x + "," + y + ")";
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.out.println(result);
                break;
            } else {
                System.out.println(result);
            }
        }
    }


}

x,y 可以是0,1 1,0 1,1 不可能是0,0 但是输出结果

省略...
第133601次（0,1)
第133602次（0,1)
第133603次（0,1)
第133604次（1,0)
第133605次（0,0)

Process finished with exit code 0

会出现x=0，y=0？那是因为重排序发生了，4行代码的执行顺序的其中一种可能：
y = a;
a = 1;
x = b;
b = 1;

重排序的例子、什么是重排序

在线程1内部的两行代码的实际执行顺序和代码在Java文件中的顺序不一致，代码指令并不是严格按照代码语句顺序执行的，它们的顺序被改变了，这就是重排序，这里被颠倒的是y=a和b=1这两行语句。

1.2 重排序的好处：提高处理速度

• 对比重排序前后的指令优化
  image.png

image.png

重排序明显提高了处理速度

1.3 重排序的3种情况

• 编译器优化：
  包括JVM，JIT编译器等
• CPU指令重排：
  就算编译器不发生重排，CPU也可能对指令进行重排
• 内存的"重排序"：
  线程A的修改线程B却看不到，引出可见性问题
  程序执行一段代码，写一个普通的共享变量，其可能先被写到缓冲区然后再被写到主内存，此时指令完成的时间就被推迟了。看上去像"重排序"

2.可见性

public class FieldVisibility {
     int a = 1;
     int b = 2;

    private void change() {
        a = 3;
        b = a;
    }


    private void print() {
        System.out.println("b=" + b + ";a=" + a);
    }

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            FieldVisibility test = new FieldVisibility();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test.change();
                }
            }).start();

            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test.print();
                }
            }).start();
        }
    }
}

image.png image.png

可见性是什么？（通俗易懂）

a b 前面加上volatile 关键字，解决可见性问题

    volatile int a = 1;
    volatile int b = 2;

image.png

2.2.为什么需要JMM

JMM即为JAVA 内存模型（java memory model）。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型，就是为了屏蔽系统和硬件的差异，让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果

image.png

2.3为什么会有可见性问题？

image.png

CPU有多级缓存，导致读的数据过期：

• 高速缓存的容量比主内存小，但是速度仅次于寄存器，所以在CPU和主内存之间就多了Cache层；
• 线程间的对于共享变量的可见性问题不是直接由多核引起的，而是由多缓存引起的；
• 如果所有的核心只有一个缓存，那就不会出现内存可见性问题；
  但是每个核心都会将自己需要的数据读到独占的缓存中，数据修改后也是写入到缓存中，然后等待刷入到主存中，所以会导致有些核心读取的值是一个过期的值。

2.4主内存和本地内存的关系如何？

JMM有以下规定：

1. 所有变量都存储在主内存中，同时每个线程也有自己独立的工作内存，工作内存中的变量内容是主内存中的拷贝；
2. 线程不能直接读写主内存中的变量，而是只能操作自己的工作内存中的变量，然后再同步到主内存中；
3. 主内存是多个线程共享的，但线程之间不共享工作内存，如果线程间需要通信，必须借助主内存中转来完成。

总结：
所有的共享变量存在于主内存中，每个线程有自己的本地内存，而且线程读写共享数据也是通过工作内存交换，但是存在延迟的情况，所以导致可见性问题的出现。