java多線程內(nèi)存模型

java多線程內(nèi)存模型

　　Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型(Java Memory Model,JMM)來(lái)屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的并發(fā)效果。在此之前，主流程序怨言(如C/C++等)直接使用物理硬件(或者說(shuō)操作系統(tǒng)的內(nèi)存模型)，因此，會(huì)由于不同的平臺(tái)上內(nèi)存模型差異，導(dǎo)致程序在一套平臺(tái)上并發(fā)完成正常，而在另一套平臺(tái)上并發(fā)訪問(wèn)卻經(jīng)常出錯(cuò)，因此經(jīng)常需要針對(duì)不同的平臺(tái)來(lái)編寫程序。

　　Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問(wèn)規(guī)則，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)。

　　Java多線程內(nèi)存模型工作原理：

　　Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線程都有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存保存了被該線程使用到變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作(讀取,賦值等)都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同線程也不能直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成，線程，主內(nèi)存，工作內(nèi)存三者的交互關(guān)系。

　　ava中通過(guò)多線程使得多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行處理，所有的線程共享JVM內(nèi)存區(qū)域main memory，而每個(gè)線程又有自己的工作內(nèi)存，當(dāng)線程與內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行交互時(shí)，數(shù)據(jù)從主存拷貝到工作內(nèi)存，進(jìn)而交由線程處理。

　　Java虛擬機(jī)內(nèi)存模型中定義的訪問(wèn)操作與物理計(jì)算機(jī)處理的基本一致。

　　1、程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)

　　程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，其存放的是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里(僅是概念模型，各種虛擬機(jī)可能會(huì)通過(guò)一些更高效的方式去實(shí)現(xiàn))，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。

　　由于Java 虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器(對(duì)于多核處理器來(lái)說(shuō)是一個(gè)內(nèi)核)只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)?ldquo;線程私有”的內(nèi)存。

　　如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址;如果正在執(zhí)行的是Natvie 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空(Undefined)。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

　　2、Java虛擬機(jī)棧(Java Virtual Machine Stacks)

　　與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的，其生命周期與線程相同。

　　虛擬機(jī)棧描述的是Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(Stack Frame ①)用于存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過(guò)程。

　　經(jīng)常有人把Java 內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存(Heap)和棧內(nèi)存(Stack)，這種分法比較粗糙，Java 內(nèi)存區(qū)域的劃分實(shí)際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜。這種劃分方式的流行只能說(shuō)明大多數(shù)程序員最關(guān)注的、與對(duì)象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊。其中所指的“堆”在后面會(huì)專門講述，而所指的“棧”就是現(xiàn)在講的虛擬機(jī)棧，或者說(shuō)是虛擬機(jī)棧中的局部變量表部分。

　　局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對(duì)象引用(reference 類型，它不等同于對(duì)象本身，根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，它可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槪部赡苤赶蛞粋€(gè)代表對(duì)象的句柄或者其他與此對(duì)象相關(guān)的位置)和returnAddress 類型(指向了一條字節(jié)碼指令的地址)。其中64 位長(zhǎng)度的long 和double 類型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2 個(gè)局部變量空間(Slot)，其余的數(shù)據(jù)類型只占用1 個(gè)。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。

　　拋出異常：如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常;如果虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展(當(dāng)前大部分的Java 虛擬機(jī)都可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過(guò)Java 虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長(zhǎng)度的虛擬機(jī)棧)，當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。

　　3、本地方法棧(Native Method Stacks)

　　本地方法棧與虛擬機(jī)棧的作用非常相似，虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用的Native方法服務(wù)的。

　　虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語(yǔ)言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)(譬如Sun HotSpot 虛擬機(jī))直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError異常。

　　4、Java堆(Java Heap)

　　對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Java 堆是Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。

　　Java堆中唯一的目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。

　　這一點(diǎn)在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中的描述是：所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配①，但是隨著JIT 編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換②優(yōu)化技術(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對(duì)象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對(duì)”了。

　　Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱作“GC堆”(Garbage Collected Heap)。

　　根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過(guò)當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)的(通過(guò)-Xmx和-Xms 控制)。如果在堆中沒(méi)有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。

　　4、方法區(qū)(Method Area)——又名Non-Heap

　　方法區(qū)與Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然Java 虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做Non-Heap(非堆)，目的應(yīng)該是與Java 堆區(qū)分開(kāi)來(lái)。

　　根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定， 當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)， 將拋出OutOfMemoryError 異常。

　　5、運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool)

　　運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。

　　6、直接內(nèi)存(Direct Memory)

　　直接內(nèi)存并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用，而且也可能導(dǎo)致OutOfMemoryError 異常出現(xiàn)。應(yīng)用在某些場(chǎng)景中能顯著提高性能，因?yàn)槠浔苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù)。