java多線程內存模型

java多線程內存模型

　　Java虛擬機規范中試圖定義一種Java內存模型(Java Memory Model,JMM)來屏蔽掉各種硬件和操作系統的內存訪問差異，以實現讓Java程序在各種平臺下都能達到一致的并發效果。在此之前，主流程序怨言(如C/C++等)直接使用物理硬件(或者說操作系統的內存模型)，因此，會由于不同的平臺上內存模型差異，導致程序在一套平臺上并發完成正常，而在另一套平臺上并發訪問卻經常出錯，因此經常需要針對不同的平臺來編寫程序。

　　Java內存模型的主要目標是定義程序中各個變量的訪問規則，即在虛擬機中將變量存儲到內存和從內存中取出變量這樣的底層細節。

　　Java多線程內存模型工作原理：

　　Java內存模型規定了所有變量都存儲在主內存中，每條線程都有自己的工作內存，線程的工作內存保存了被該線程使用到變量的主內存副本拷貝，線程對變量的所有操作(讀取,賦值等)都必須在工作內存中進行，而不能直接讀寫主內存中的變量。不同線程也不能直接訪問對方工作內存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要通過主內存來完成，線程，主內存，工作內存三者的交互關系。

　　ava中通過多線程使得多個任務同時執行處理，所有的線程共享JVM內存區域main memory，而每個線程又有自己的工作內存，當線程與內存區域進行交互時，數據從主存拷貝到工作內存，進而交由線程處理。

　　Java虛擬機內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、程序計數器(Program Counter Register)

　　程序計數器是一塊較小的內存空間，其存放的是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。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)，字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

　　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行時間的方式來實現的，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核)只會執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行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域為“線程私有”的內存。

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

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

　　與程序計數器一樣，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 方法執行的內存模型：每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀(Stack Frame ①)用于存儲局部變量表、操作棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調用直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

　　經常有人把Java 內存區分為堆內存(Heap)和棧內存(Stack)，這種分法比較粗糙，Java 內存區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程序員最關注的、與對象內存分配關系最密切的內存區域是這兩塊。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據類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對象引用(reference 類型，它不等同于對象本身，根據不同的虛擬機實現，它可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置)和returnAddress 類型(指向了一條字節碼指令的地址)。其中64 位長度的long 和double 類型的數據會占用2 個局部變量空間(Slot)，其余的數據類型只占用1 個。局部變量表所需的內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擴展(當前大部分的Java 虛擬機都可動態擴展，只不過Java 虛擬機規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行Java方法(也就是字節碼)服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用的Native方法服務的。

　　虛擬機規范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構并沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。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，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError異常。

　　4、Java堆(Java Heap)

　　對于大多數應用來說，Java 堆是Java 虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建。

　　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存。

　　這一點在Java 虛擬機規范中的描述是：所有的對象實例以及數組都要在堆上分配①，但是隨著JIT 編譯器的發展與逃逸分析技術的逐漸成熟，棧上分配、標量替換②優化技術將會導致一些微妙的變化發生，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域，因此很多時候也被稱作“GC堆”(Garbage Collected Heap)。

　　根據Java 虛擬機規范的規定，Java 堆可以處于物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，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的(通過-Xmx和-Xms 控制)。如果在堆中沒有內存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError 異常。

　　4、方法區(Method Area)——又名Non-Heap

　　方法區與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。雖然Java 虛擬機規范把方法區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 堆區分開來。

　　根據Java 虛擬機規范的規定， 當方法區無法滿足內存分配需求時， 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，這部分內容在類加載后存放到方法區的運行時常量池中。

　　6、直接內存(Direct Memory)

　　直接內存并不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規范中定義的內存區域，但是這部分內存也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError 異常出現。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堆中來回復制數據。