进阶课程1：jvm内存模型

JVM内存结构

JVM内部由线程栈和堆内存组成。

简单描述就是我们的原生类型的局部变量，然后我们常见的对象，引用类型等都是在堆上。

每个线程都只能访问自己的线程栈。

每个线程都不能访问 (看不见) 其他线程的局部变量。

所有原生类型的局部变量都存储在线程栈中，因此对其他线程是不可见的。

线程可以将一个原生变量值的副本传给另一个线程，但不能共享原生局部变量本身。

堆内存中包含了 Java 代码中创建的所有对象，不管是哪个线程创建的。 其中也涵盖了包装类型(例如 Byte，Integer， Long 等)。

不管是创建一个对象并将其赋值给局部变量，还是赋值给另一个对象的成员变量， 创建的对象都会被保存到堆内存中。

如果是原生数据类型的局部变量,那么它的内容就全部保留在线程栈上o

如果是对象引用，则栈中的局部变量槽位中保存着对象的引用地址,而实际的对象内容保存在堆中。

对象的成员变量与对象本身一起存储在堆上,不管成员变量的类型是原生数值，还是对象引用。

类的静态变量则和类定义一样都保存在堆中。

需要注意的是，这里有新手弄混，下面举例说明下变量在栈堆的变化。拿int来说：

当一个int类型的变量从局部变量变成成员变量时，它的存储方式也会发生变化。具体来说，如果一个int类型的变量是局部变量，那么它在方法调用时会在栈上创建一个新的栈帧，并在该栈帧中存储该变量的值。当该方法执行完毕时，该栈帧会被弹出，该变量的值也会被销毁。

相反，如果一个int类型的变量是成员变量，那么它会被存储在堆上，而不是栈上。当一个对象被创建时，该对象的成员变量会在堆上分配空间，并被初始化为默认值（0或null）。当该对象被引用时，该成员变量的值会被加载到栈上，以供方法使用。当该方法执行完毕时，该值会被存回堆中，以供其他方法或线程使用。

因此，当一个int类型的变量从局部变量变成成员变量时，它的存储方式会从栈变为堆，它的访问方式也会从局部变量变为对象成员变量。

总结一下:

方法中使用的原生数据类型和对象引用地址在栈上存储;对象、对象成员与类定义、静态变量在堆上。

堆内存又称为“共享堆”，堆中的所有对象，可以被所有线程访问，只要他们能拿到对象的引用地址。

如果一个线程可以访问某个对象时也就可以访问该对象的成员变量。如果两个线程同时调用某个对象的同一方法，则它们都可以访问到这个对象的成员变量，但每个线程的局部变量副本是独立的。

功能方面：堆是用来存放对象的，栈是用来执行程序的。共享性：堆是线程共享的，栈是线程私有的。空间大小：堆大小远远大于栈。

JVM整体结构

方法是怎么做到资源的隔离和相互之间不影响的：

每启动一个线程，JVM 就会在栈空间栈分配对应的 线程栈。

线程栈也叫做 Java 方法栈。 如果使用了JNI 方法，则会分配一个单独的本地方法栈Native Stack).

线程执行过程中，一般会有多个方法组成调用栈 (Stack Trace)，比如 A 调用 B，B 调用 C...每执行到一个方法，就会创建对应的 栈帧 (Frame)。

JVM栈内存结构

栈帧

是一个逻辑上的概念，具体的大小在一个方法编写完成后基本上就能确定。

比如返回值需要有一个空间存放，每个局部变量都需要对应的地址空间，此外还有给指令使用的操作数栈，以及 class 指针(标识这个栈帧对应的是哪个类的方法,指向非堆里面的 Class 对象)。

操作数栈

JVM中的操作数栈是一种用于存储和执行操作数的数据结构。它是JVM运行时数据区域的一部分，用于进行方法调用和方法执行时的数据传递。操作数栈使用先进后出（LIFO）的方式，类似于一个栈的结构。

当方法被调用时，JVM会为该方法创建一个栈帧，栈帧中包含了局部变量表、操作数栈以及其他与方法执行相关的信息。操作数栈用于存储方法执行过程中所需的操作数，例如常量、变量的值等。方法中的指令会从操作数栈中弹出操作数进行计算，并将结果再次压入操作数栈中。

通过操作数栈，JVM可以实现各种操作，例如数值运算、类型转换、方法调用等。操作数栈的大小是固定的，可以在JVM启动时通过参数进行设置。当操作数栈超过其最大容量时，会抛出StackOverflowError异常。所以在编写Java程序时，要注意不要让操作数栈溢出

局部变量表

JVM（Java虚拟机）局部变量表是一种存储局部变量的数据结构，它被用于在方法执行期间保存方法中定义的局部变量。

在JVM中，每个方法被调用时，都会创建一个新的栈帧（stack frame）来保存方法的参数和局部变量。局部变量表是栈帧中的一部分，用于存储方法中定义的局部变量。

局部变量表的结构与方法中的局部变量声明顺序一致，它是按照索引来访问局部变量的。在方法执行期间，局部变量表的大小是固定的，它根据方法的字节码指令和变量的作用域来确定。

局部变量表中可以存储各种类型的变量，包括基本类型（如int、float等）和对象引用。局部变量表还可以存储方法的参数和临时变量，但是不包括实例变量和静态变量，它们存储在对象的实例数据和类数据中。

通过局部变量表，JVM可以快速访问和操作方法中的局部变量，从而实现方法的正常执行。

JVM堆内存结构

堆内存是所有线程共用的内存空间，JVM 将Heap 内存分为年轻代(Young generation) 和老年代 (Old generation,也叫 Tenured) 两部分。年轻代还划分为 3 个内存池，新生代 (Eden在大部分space) 和存活区(Survivor space)GC 算法中有 2个存活区(SO.S1),在我们可以观察到的任何时刻，SO 和 S1 总有一个是空的,但一般较小，也不浪费多少空间。

Non-Heap 本质上还是 Heap，只是一般不归 GC管理，里面划分为 3 个内存池。

Metaspace（元数据区）,以前叫持久代 (永久代,Permanentgeneration),Java8 换了个名字叫 Metaspace。

CCS,Compressed Class Space,存放 class 信息的，和 Metaspace 有交叉。

Code Cache存放 JIT 编译器编译后的本地机器代码。

非堆存放的数据：类的相关描述数据进行压缩指针后的数据。这么做的原因在于，一个数据压缩后就会变小，节省内存空间。

有些数据里没有非堆的概念，但是某些官方工具有。

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JMM

JMM 规范对应的是“[JSR-133.JavaMemorv Model and ThreadSpecification]”，《Java 语言规范》的[$17.4.Memory Model章节]

JMM 规范明确定义了不同的线程之间，通过哪些方式，在什么时候可以看见其他线程保存到共享变量中的值;以及在必要时，如何对共享变量的访问进行同步。这样的好处是屏蔽各种硬件平台和操作系统之间的内存访问差异，实现了 Java 并发程序真正的跨平台。

内容：

所有的对象 (包括内部的实例成员变量)，static 变量，以及数组，都必须存放到堆内存中。

局部变量，方法的形参/入参，异常处理语句的入参不允许在线程之间共享，所以不受内存模型的影响。

多个线程同时对一个变量访问时[读取/写入] ，这时候只要有某个线程执行的是写操作，那么这种现象就称之为“冲突”。可以被其他线程影响或感知的操作，称为线程间的交互行为，可分为: 读取、写入、同步操作、外部操作等等。 其中同步操作包括: 对 volatile 变量的读写，对管程 (monitor) 的锁定与解锁，线程的起始操作与结尾操作，线程启动和结束等等。 外部操作则是指对线程执行环境之外的操作，比如停止其他线程等等。

JMM 规范的是线程间的交互操作，而不管线程内部对局部变量进行的操作。

讲解

​ JMM 是Java内存模型（ Java Memory Model），简称JMM。它本身只是一个抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一种规则或规范，是和多线程相关的一组规范。通过这组规范，定义了程序中对各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。需要每个JVM 的实现都要遵守这样的规范，有了JMM规范的保障，并发程序运行在不同的虚拟机上时，得到的程序结果才是安全可靠可信赖的。如果没有JMM 内存模型来规范，就可能会出现，经过不同 JVM 翻译之后，运行的结果不相同也不正确的情况。

​ 计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的。而执行指令的过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程，跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多（硬盘 < 内存 <缓存cache < CPU）。因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。也就是当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时，就可以直接从它的高速缓存中读取数据或向其写入数据了。当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。

JMM 抽象出主存储器（Main Memory）和工作存储器（Working Memory）两种。

·主存储器是实例对象所在的区域，所有的实例都存在于主存储器内。比如，实例所拥有的字段即位于主存储器内，主存储器是所有的线程所共享的。

·工作存储器是线程所拥有的作业区，每个线程都有其专用的工作存储器。工作存储器存有主存储器中必要部分的拷贝，称之为工作拷贝（Working Copy）。

所以，线程无法直接对主内存进行操作，此外，线程A想要和线程B通信，只能通过主存进行。

JMM的三大特性

1.原子性

一个或多个操作，要么全部执行，要么全部不执行（执行的过程中是不会被任何因素打断的）。

2.可见性

只要有一个线程对共享变量的值做了修改，其他线程都将马上收到通知，立即获得最新值。

3.有序性

​ 有序性可以总结为：在本线程内观察，所有的操作都是有序的；而在一个线程内观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句指 as-if-serial 语义：线程内似表现为串行，后半句是指：“指令重排序现象”和“工作内存与主内存同步延迟现象”。处理器为了提高程序的运行效率，提高并行效率，可能会对代码进行优化。编译器认为，重排序后的代码执行效率更优。这样一来，代码的执行顺序就未必是编写代码时候的顺序了，在多线程的情况下就可能会出错。

​ 在代码顺序结构中，我们可以直观的指定代码的执行顺序, 即从上到下按序执行。但编译器和CPU处理器会根据自己的决策，对代码的执行顺序进行重新排序，优化指令的执行顺序，提升程序的性能和执行速度，使语句执行顺序发生改变，出现重排序，但最终结果看起来没什么变化（在单线程情况下）。

​ 有序性问题 指的是在多线程的环境下，由于执行语句重排序后，重排序的这一部分没有一起执行完，就切换到了其它线程，导致计算结果与预期不符的问题。这就是编译器的编译优化给并发编程带来的程序有序性问题。

Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个对象锁的两个同步块只能串行进入。

3.关于同步的规定：

1.线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主内存。

2.线程加锁前，必须将主内存的最新值读取到自己的工作内存。

3.加锁解锁是同一把锁。

4.解释说明

​ 在JVM中，栈负责运行（主要是方法），堆负责存储（比如new的对象）。由于JVM运行程序的实体是线程，而每个线程在创建时，JVM都会为其创建一个工作内存（有些地方称为栈空间），工作内存是每个线程的私有数据区域。而JAVA内存模型中规定，所有变量都存储在主内存中，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问。

​ 但线程对变量的操作（读取赋值等）必须在自己的工作内存中进行。首先要将变量从主内存拷贝到自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后，再将变量写回到主内存。由于不能直接操作主内存中的变量，各个线程的工作内存中存储着主内存中的变量副本，因此，不同的线程之间无法直接访问对方的工作内存，线程间的通信（传值）必须通过主内存来完成。

视频

阿里云盘视频链接：https://www.aliyundrive.com/s/cUYaJcv54Qm

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