java多線程內(nèi)存模型

　　Java虛擬機規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型(Java Memory Model,JMM)來屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實現(xiàn)讓Java程序在各種平臺下都能達到一致的并發(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(或者說操作系統(tǒng)的內(nèi)存模型)，因此，會由于不同的平臺上內(nèi)存模型差異，導致程序在一套平臺上并發(fā)完成正常，而在另一套平臺上并發(fā)訪問卻經(jīng)常出錯，因此經(jīng)常需要針對不同的平臺來編寫程序。

　　Java內(nèi)存模型的主要目標是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則，即在虛擬機中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細節(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，線程對變量的所有操作(讀取,賦值等)都必須在工作內(nèi)存中進行，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對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要通過主內(nèi)存來完成，線程，主內(nèi)存，工作內(nèi)存三者的交互關(guān)系。

　　ava中通過多線程使得多個任務同時執(zhí)行處理，所有的線程共享JVM內(nèi)存區(qū)域main memory，而每個線程又有自己的工作內(nèi)存，當線程與內(nèi)存區(qū)域進行交互時，數(shù)據(jù)從主存拷貝到工作內(nèi)存，進而交由線程處理。

　　Java虛擬機內(nèi)存模型中定義的訪問操作與物理計算機處理的基本一致。

　　1、程序計數(shù)器(Program Counter Register)

　　程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，其存放的是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里(僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現(xiàn))，字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

　　由于Java 虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，在任何一個確定的時刻，一個處理器(對于多核處理器來說是一個內(nèi)核)只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各條線程之間的計數(shù)器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。

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

　　2、Java虛擬機棧(Java Virtual Machine Stacks)

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

　　虛擬機棧描述的是Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法被執(zhí)行的時候都會同時創(chuàng)建一個棧幀(Stack Frame ①)用于存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

　　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)域的劃分實際上遠比這復雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數(shù)程序員最關(guān)注的、與對象內(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”在后面會專門講述，而所指的“棧”就是現(xiàn)在講的虛擬機棧，或者說是虛擬機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)、對象引用(reference 類型，它不等同于對象本身，根據(jù)不同的虛擬機實現(xiàn)，它可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關(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 位長度的long 和double 類型的數(shù)據(jù)會占用2 個局部變量空間(Slot)，其余的數(shù)據(jù)類型只占用1 個。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

　　拋出異常：如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常;如果虛擬機棧可以動態(tài)擴展(當前大部分的Java 虛擬機都可動態(tài)擴展，只不過Java 虛擬機規(guī)范中也允許固定長度的虛擬機棧)，當擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError 異常。

　　3、本地方法棧(Native Method Stacks)

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

　　虛擬機規(guī)范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強制規(guī)定，因此具體的虛擬機可以自由實現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(譬如Sun HotSpot 虛擬機)直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError異常。

　　4、Java堆(Java Heap)

　　對于大多數(shù)應用來說，Java 堆是Java 虛擬機所管理的內(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，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。

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

　　這一點在Java 虛擬機規(guī)范中的描述是：所有的對象實例以及數(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、標量替換②優(yōu)化技術(shù)將會導致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對”了。

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

　　根據(jù)Java 虛擬機規(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。在實現(xiàn)時，既可以實現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的(通過-Xmx和-Xms 控制)。如果在堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError 異常。

　　4、方法區(qū)(Method Area)——又名Non-Heap

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

　　根據(jù)Java 虛擬機規(guī)范的規(guī)定， 當方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時， 將拋出OutOfMemoryError 異常。

　　5、運行時常量池(Runtime Constant Pool)

　　運行時常量池是方法區(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，還有一項信息是常量池，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容在類加載后存放到方法區(qū)的運行時常量池中。

　　6、直接內(nèi)存(Direct Memory)

　　直接內(nèi)存并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java虛擬機規(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，而且也可能導致OutOfMemoryError 異常出現(xiàn)。應用在某些場景中能顯著提高性能，因為其避免了在Java堆和Native堆中來回復制數(shù)據(jù)。