JMM

1.Java内存模型

Java虚拟机规范中定义了Java内存模型（Java Memory Model，JMM），用于屏蔽掉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并发效果。

Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。

Java 内存模型规定了 JVM 应该如何使用计算机内存（RAM）。 广义来讲， Java 内存模型分为两个部分：

• JVM 内存结构
• JMM 与线程规范

其中，JVM 内存结构是底层实现，也是我们理解和认识 JMM 的基础。 大家熟知的堆内存、栈内存等运行时数据区的划分就可以归为 JVM 内存结构。

2.JVM 内存结构

在前面我们知道了Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

JVM 内部使用的 Java 内存模型， 在逻辑上将内存划分为 线程栈（thread stacks）和堆内存 （heap）两个部分,也就是我们说的虚拟机栈和堆。 如下图所示：

JVM 中，每个正在运行的线程，都有自己的线程栈。 线程栈包含了当前正在执行的方法链/调用链上的所有方法的状态信息。所以线程栈又被称为“方法栈”或“调用栈”（call stack）。线程在执行代码时，调用栈中的信息会一直在变化。

2.1 线程栈

线程栈里面保存了调用链上正在执行的所有方法中的局部变量。

• 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。

即使两个线程正在执行完全相同的代码，但每个线程都会在自己的线程栈内创建对应代码中声明的局部变量。 所以每个线程都有一份自己的局部变量副本。

在线程栈中：

• 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。

下图演示了线程栈上的调用栈和局部变量，以及存储在堆内存中的对象：

我们可以注意到以下特点：

• 如果是局部变量，则保留在线程栈上。

• 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

原始数据类型和对象引用地址在栈上；对象、对象成员与类定义、静态变量在堆上。

2.2 堆内存

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。

在堆内存中：

• 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。

虽然各个线程自己使用的局部变量都在自己的栈上，但是大家可以共享堆上的对象，特别地各个不同线程访问同一个对象实例的基础类型的成员变量，会给每个线程一个变量的副本。

2.3 栈内存的结构

我们在前面讲过：Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。如下图：

下图能更好的让我们理解栈内存(Stack)的大体结构：

每启动一个线程，JVM 就会在栈空间栈分配对应的线程栈, 比如 1MB 的空间（-Xss1m）。

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)。栈的内存不是无限大的。如果创建的栈帧太多，超过了设置的栈的最大内存，则会抛出栈内存溢出异常，这也是为什么我们写代码不要嵌套调用过多的方法的原因

2.4 堆内存的结构

Java 程序除了栈内存之外，最主要的内存区域就是堆内存了。

堆内存是所有线程共用的内存空间，理论上大家都可以访问里面的内容。

但 JVM 的具体实现一般会有各种优化。比如将逻辑上的 Java 堆,划分为堆(Heap)和非堆(Non-Heap)两个部分.。这种划分的依据在于，我们编写的 Java 代码，基本上只能使用 Heap 这部分空间，发生内存分配和回收的主要区域也在这部分，所以有一种说法，这里的 Heap 也叫 GC 管理的堆(GC Heap)。

GC 理论中有一个重要的思想，叫做分代。 经过研究发现，程序中分配的对象，要么用过就扔，要么就能存活很久很久。

因此，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 space)和存活区(Survivor space), 在大部分 GC 算法中有 2 个存活区(S0, S1)，在我们可以观察到的任何时刻，S0 和 S1 总有一个是空的, 但一般较小，也不浪费多少空间。

具体实现对新生代还有优化，那就是 TLAB(Thread Local Allocation Buffer), 给每个线程先划定一小片空间，你创建的对象先在这里分配，满了再换。这能极大降低并发资源锁定的开销。

我们也注意到，还有方法区没有涉及。这就是上文的Non-Heap，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, 以前叫持久代(永久代, Permanent generation), Java8 换了个名字叫 Metaspace. Java8 将方法区移动到了 Meta 区里面，而方法又是class的一部分和 CCS 交叉了?
• 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。

JVM 的内存结构大致如此。 掌握了这些基础知识，我们再来看看 JMM。首先我们得了解一下以下知识：

3. 主内存与工作内存

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据[3]。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，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、工作内存三者的交互关系如下图：

从上图来看，线程 A 与线程 B 之间如要通信的话，必须要经历下面 2 个步骤：

• 首先，线程 A 把本地内存 A 中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
• 然后，线程 B 到主内存中去读取线程 A 之前已更新过的共享变量。

如上图所示，本地内存存 A 和 B 有主内存中共享变量 x 的副本。假设初始时，这三个内存中的 x 值都为 0。线程 A 在执行时，把更新后的 x 值（假设值为 1）临时存放在自己的本地内存 A 中。当线程 A 和线程 B 需要通信时，线程 A 首先会把自己本地内存中修改后的 x 值刷新到主内存中，此时主内存中的 x 值变为了 1。随后，线程 B 到主内存中去读取线程 A 更新后的 x 值，此时线程 B 的本地内存的 x 值也变为了 1。

从整体来看，这两个步骤实质上是线程 A 在向线程 B 发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。

JMM 通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为 java 程序员提供内存可见性保证

3.1 内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。

• unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它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。

• read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的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。

• load（载入）：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。

• use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，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。

• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量，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。

• store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。

• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按顺序执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序执行store和write操作。

注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，但不要求是连续执行。也就是说read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现的顺序是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：

• 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。但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。
• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
• 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。
• 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。
• 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。
• 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现
• 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
• 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。
• 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）。

4.重排序

为了使处理器内部的运算单元能够尽量的被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行处理。这就是编译器优化重排。

除了现在很多流行的处理器会对代码进行优化乱序处理，很多编程语言的编译器也会有类似的优化，比如Java虚拟机的即时编译器（JIT）也会做指令重排。

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型：

• 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
• 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
• 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从 java 源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

上述的 1 属于编译器重排序，2 和 3 属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。

对于处理器重排序，JMM 的处理器重排序规则会要求 java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel 称之为 memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

JMM 属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

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