java虚拟机内存模型

不念不忘少年蓝@ 2024-02-19 19:55 62阅读 0赞

Java虚拟机内存模式目的：

**屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。他是一种规范或规则，通过这种顶一个程序各个变量的访问方式。**

JVM关于同步规定：

1.线程解锁之前，必须把共享变量的值刷回主内存。

2.线程枷锁前，必须读取主内存最新的值到自己的工作内存中。

3.枷锁和解锁是同一把锁。

Volatile是Java提供的最轻量的同步机制。后续整理文档。

作用：

1.保证可见性。

2.不保证原子性

3.禁止指令重排。

**Jvm运行程序的实体是线程。**

Java虚拟机--直接内存：Derect Memory  
Derect Memory:jvm中其实并不存在该内存，他既不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是该内存总是在被频繁的使用。

如图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU0OTU3OA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]  
在jdk中有一个输入输出类NIO，其工作本质就是通过通道和缓存的I/O的方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的**DirectByteBuffer**对象作为这块内存的引用进行操作。

本机的直接内存分配不收到java堆的大小的吸纳子，但是既然是内存，肯定会受到本机总内存大小的及处理器寻址空间的限制。

内存的大小可以通过 -Xmx等参数来进行调整，但是经常忽略直接内存，是的各个内存区域总和大于物理内存限制，导致动态扩展出现oom的现象。  
通过参数“-XX:MaxDirectMemorySize”指定了直接内存的最大值，其超过指定的最大值时，也会抛出内存溢出异常。

/**
     * jvm直接内存溢出
     * JVM参数：-Xmx10M -XX:MaxDirectMemorySize=5M
     */
    public class DirectMemoryeException {
    
        private static final int total = 1024 * 1024;
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            //Unsafe是直接向操作系统申请分配内存，若未申请到则抛异常
            Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
            unsafeField.setAccessible(true);
            Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
            while (true) {
                unsafe.allocateMemory(total );
            }
        }
    
    }

Unsafe:[参考][Link 1]

Java内存模型--主内存与工作内存：

主内存：存储所有的变量。

工作内存:每一条线程自身的私有内存区域。

线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程堆变量的所有的操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法访问对方的工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程，主内存，工作内存三者存在紧密联系。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU0OTU3OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

工作方式：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU0OTU3OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

工作内存和主内存之间的交互，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

八种线程之间的交互指令：

<table style="width:587px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">指令</td> 
   <td style="width:486px;">作用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">lock（锁定）</td> 
   <td style="width:486px;">作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">unlock（解锁）</td> 
   <td style="width:486px;">作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">read（读取）</td> 
   <td style="width:486px;">作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">load（载入）</td> 
   <td style="width:486px;">作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">use（使用）</td> 
   <td style="width:486px;">作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">assign（赋值）</td> 
   <td style="width:486px;">作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">store（存储）</td> 
   <td style="width:486px;">作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:100px;">write（写入）</td> 
   <td style="width:486px;">作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

JMM对交互指令的约束：  
如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

JVM关注点：原子性 可见性与有序性。

1.  不允许read和load、store和write操作之一单独出现
2.  不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
3.  不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
4.  一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
5.  一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现
6.  如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
7.  如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
8.  对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

**原子性**

原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

**可见性**

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。

**有序性**

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

在Java内存模型中，**允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。** 指令重排是为了优化程序的运行。如果不懂 可以学一下 **操作系统**这门课程。

在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

先行发生原则：

1.  程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
2.  锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
3.  volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
4.  传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
5.  线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
6.  线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
7.  线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
8.  对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

参考：《深入理解Java虚拟机》

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