JAVA内存模型与JVM内存结构

注意区分Java内存模型（Java Memory Model，简称JMM）与Jvm内存结构，前者与多线程相关，后者与JVM内部存储相关。本文会对两者进行简单介绍。

一、JAVA内存模型(JMM)

1. 概念

说来话长，由于在不同硬件厂商和不同操作系统之间内存访问有一定差异，所以会使得相同代码在不同平台上运行结果可能不一致。为了使java程序在各种平台下达成一致的运行效果，所以JMM屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异。
JMM规定除局部变和方法参数以外的所有变量都存储在主内存中。从线程角度，其基本工作方式是：工作内存保存了线程用到的变量和主内存的副本，只能修改工作内存的值然后刷回主存，不能直接读写主内存中的变量。

一般问到Java内存模型都是想问多线程，Java并发相关的问题。

2. 内存屏障

现代计算机CPU多为多核，每核有自己的高速缓存，易导致内存数据读写不一致，产生指令乱序和不可见性问题。内存屏障确保指令顺序执行和内存操作的全局可见性，防止重排序，并即时更新和展示内存数据给其他CPU核，解决读写延迟问题。读屏障清除缓存，确保后续读取最新数据；写屏障刷新缓存数据到内存，使其对其他核可见。JMM针对读load写store提出了针对这两个操作的四种组合来覆盖度读写的所有情况。
LoadLoad 屏障：确保所有之前的读操作都完成后再执行之后的读操作。
StoreStore 屏障：确保所有之前的写操作都完成后再执行之后的写操作。
LoadStore 屏障：确保所有之前的读操作都完成后再执行之后的写操作。
StoreLoad 屏障：确保所有之前的写操作都完成并对其他处理器可见后，再执行之后的读操作。

3.原子性 可见性 有序性

3.1原子性

原子性指的是一个操作是不可分割，不可中断的，一个线程在执行时不会被其他线程干扰。i++不是原子操作，因为它是先读取到i，再加1，是两步操作不保证原子性。代表性的是synchronized关键字，该关键字修饰的方法或代码块可保证原子性。

3.2 可见性

可见性是指一个线程修改了某个变量的值，这个改动能立即被其他线程感知。volatile关键字可以保证变量的可见性，当变量被该关键字修饰时，这个变量的改动会被立即刷新到内存，其他线程会在主内存中读取该变量的新值。final和synchronized也可保证可见性。
<happens-before>
happens-before是指前一个操作的结果对后续操作是可见的，并不是指前面一个操作一定发生在后面一个操作的前面。在不改变程序执行结果的前提下，编译器和处理器可以自由优化程序执行顺序，因为程序员只关心程序执行的语义是否正确。

3.3 有序性

在Java中，volatile和synchronized都能维护多线程操作的有序性。volatile通过内存屏障禁止指令重排，而synchronized则通过锁定机制，确保同一时间只有一个线程可以执行被其保护的代码块，从而实现有序性。

4. synchronezid volatile关键字

4.1 synchronezid 

4.1.1 基本使用

synchronezid可以修饰方法、类和代码块。修饰实例方法锁住的是对象，即对象锁；修饰静态方法锁住的是类，即类锁；修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，也是对象锁。
对象锁可以有多个，new几个对象就有几个对象锁，但是类锁只有一把。

//修饰方法
public synchronized void add(){i++;
}
//修饰类
public static synchronized void add(){i++;
}
//修饰代码块
public void add() {synchronized (this) {i++;}
}

4.1.2 底层原理

查看上面代码的字节码

//修饰代码块
public void add();Code:0: aload_01: dup2: astore_13: monitorenter    // synchronized关键字的入口4: getstatic     #2                  // Field i:I7: iconst_18: iadd9: putstatic     #2                  // Field i:I12: aload_113: monitorexit  // synchronized关键字的出口14: goto          2217: astore_218: aload_119: monitorexit // synchronized关键字的出口20: aload_221: athrow22: return

通过字节码文件看出synchronized修饰代码块使用monitorenter和monitorexit指令。monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置。每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，设置计数器值为1。执行monitorexit指令，将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0。monitor存储于对象头信息中，每个对象都存在一个monitor与之关联。

//修饰方法
public synchronized void add();descriptor: ()Vflags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZEDCode:stack=3, locals=1, args_size=10: aload_01: dup2: getfield      #2                  // Field i:I5: iconst_16: iadd7: putfield      #2                  // Field i:I10: returnLineNumberTable:line 5: 0line 6: 10

synchronized修饰实例方法对应的字节码没有 monitorenter和monitorexit ，却额外多了 ACC_SYNCHRONIZED。因为整个方法都是同步代码，因此就不需要标记同步代码的入口和出口了。当线程线程执行到这个方法时会判断是否有这个ACC_SYNCHRONIZED标志，如果有的话则会尝试获取monitor对象锁。如果有异常发生，线程自动释放锁。

4.2 volatile

能保证变量的可见性，禁止指令重排序。
可见性原理
每个线程都有一个Jvm栈，栈内保存线程运行时的变量信息。当线程访问对象的属性时，首先会找到堆内对象存的变量值，再将其保存为栈内的一个副本，之后会直接修改副本中属性的值。修改完后不会立即将修改的值更新到堆中，这就导致某些线程读取到的还是旧值。volatile就是当副本中属性的值被修改后保证其能立即同步到堆中，从而其他线程读取到该值，也是新的值。

禁止指令重排序原理
通过插入内存屏障禁止指令重排序。插入内存屏障，相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障，后面插入一个SotreLoad屏障。

<volatile不能保证线程安全，可见性不能保证原子操作>
 

二、JVM内存结构

1. 组成

JVM的内存划分为5部分，Java栈，本地方法栈，堆，程序计数器和方法区。
1-JAVA栈 即虚拟机栈
根据线程创建而创建，所以每个线程都有一个虚拟机栈。虚拟机栈存储的是栈帧，每个栈帧对应一个方法，且都有自己的局部变量表，操作数栈、动态链接和返回地址等。
局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（int、short、byte、char、double、float、long、boolean）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一跳字节码指令的地址）。
JVM规范中，Java虚拟机栈部分规定了两种异常：StackOverflowError发生在递归调用过深时，由于程序设计的错误，如递归无终止条件；OutOfMemoryError发生在JVM内存不足或设置过小，导致无法为新线程分配栈空间。
2-本地方法栈
java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务。本地方法栈则为虚拟机使用的native方法服务。native方法是用C语言实现的底层方法。
3-堆
生命周期与进程相同，被所有线程所共享的内存区域。该区域存放的是对象实例。堆同时也是GC的主要区域。通常情况下，它占用的空间是所有内存区域中最大的，但如果无节制地创建大量对象，也容易消耗完所有的空间；堆的内存空间既可以固定大小，也可运行时动态地调整，通过参数-Xms设定初始值、-Xmx设定最大值。
4-程序计数器
它是一块极小的内存空间。记录了当前线程执行到的字节码行号。每个线程都有自己的程序计数器，互不影响。native方法计数器为空。
5-方法区
被线程共享，储存已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、jit编译后的代码等数据。

Java源代码编译成Java Class文件后通过类加载器ClassLoader加载到JVM中
类存放在方法区中
类创建的对象存放在堆中
堆中对象的调用方法时会使用到虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器
方法执行时每行代码由解释器逐行执行
热点代码由JIT编译器即时编译
垃圾回收机制回收堆中资源
和操作系统打交道需要调用本地方法接口

2. 类加载过程

2.1 加载

加载指的是将类的class文件读入到内存中，并为之创建一个java.lang.Class对象。 类加载阶段可以使用系统提供的类加载器（ClassLoader）来完成，也可以使用用户自定义的类加载器（继承ClassLoader）完成。

2.2 连接

2.2.1 验证

验证被加载的类文件符合JVM规范，保证载入的类不会危害JVM。

文件格式验证→元数据验证→字节码验证→符号引用验证

2.2.1.1 文件格式验证

2.2.1.2 元数据验证

2.2.1.3 字节码验证

2.2.1.4 符号引用验证

2.2.2 准备

在方法区中为类变量(被static修饰的变量)分配内存，并将其初始化为默认值。

对于 public static int value = 123;变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，初始化时才会将value值赋为123。 如果类字段的字段属性表中存在ConnstantValue属性，那在准备阶段value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，如：public static final int value = 123;编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

2.2.3 解析

将类中的符号引用转化为直接引用。编译的时候每个java类都会被编译成一个class文件，但在编译的时候虚拟机并不知道所引用类的地址，所以就用符号引用来代替。符号引用以一组符号来描述所引用的目标。直接引用可以是直接指向目标的指针。

2.3 初始化

执行类的初始化方法（<clinit>()方法）来初始化类的静态变量（程序设置值）和执行静态代码块。

2.4 使用

2.5 卸载

3. 类加载机制

1、全盘负责 类加载器加载某个类时，该类所依赖和引用其它的类也由该类加载器载入。

2、双亲委派 先让父加载器加载该类，父加载器无法加载时才考虑自己加载。 如果父加载器还存在其父加载器，则进一步向上委托，如果父类加载器可以完成父加载任务，就成功返回，如果父加载器无法完成加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，可避免重复加载。

3、缓存机制 缓存机制保证所有加载过的class都会被缓存，当程序中需要某个类时，先从缓存区中搜索，如果不存在，才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成class对象，存入缓存区中。 这就是为什么修改了class后，必须重启JVM，程序所做的修改才会生效的原因。

4. 反射

Java 的反射机制是指在运行状态中，对于任意一个类都能够知道这个类所有的属性和方法； 并且对于任意一个对象，都能够调用它的任意一个方法；这种动态获取信息以及动态调用对象方法的功能成为Java语言的反射机制。

4.1 实例化方式

Date date=new Date();
//方式1
Class<?> date =Class.forName("java.util.Date");
//方式2
System.out.println(date.getClass());
//方式3   
System.out.println(Date.class);

4.2 实例化对象

//通过反射机制，获取Class，通过Class来实例化对象
Class<?>  cl=Class.forName("java.util.Date");
//newInstance() 这个方法会调用Date这个类的无参数构造方法，完成对象的创建。
// 重点是：newInstance()调用的是无参构造，必须保证无参构造是存在的！
Object object=cl.newInstance();

5.GC

(待施工)