java内存模型

1.   Java内存模型

Java内存模型是每个java程序员必须掌握理解的，这是Java的核心基础，对我们编写代码特别是并发编程时有很大帮助。由于Java程序是交由JVM执行的，所以我们在谈Java内存区域划分的时候事实上是指JVM内存区域划分。

1.1. Java程序执行流程回顾

 

如图所示

首先Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀)，

然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件，

加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。

Java内存模型指的就是Runtime Data Area（运行时数据区），即程序执行期间用到的数据和相关信息保存区。

1.2. Java内存模型

根据 JVM 规范，JVM 内存共分为虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。结构如下图：

 

1.2.1.   PC程序计数器：

l  每个线程对应有一个程序计数器。

l  各线程的程序计数器是线程私有的，互不影响，是线程安全的。

l  程序计数器记录线程正在执行的内存地址，以便被中断线程恢复执行时再次按照中断时的指令地址继续执行

1.2.2.   Java栈JavaStack（虚拟机栈JVM Stack）：

l  每个线程会对应一个Java栈；

l  每个Java栈由若干栈帧组成；

l  每个方法对应一个栈帧；

l  栈帧在方法运行时，创建并入栈；方法执行完，该栈帧弹出栈帧中的元素作为该方法返回值，该栈帧被清除；

l  栈顶的栈帧叫活动栈，表示当前执行的方法，才可以被CPU执行；

l  线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；

l  栈扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常；

 

1.2.3.   方法区MethodArea

l  方法区是Java堆的永久区（PermanetGeneration）

l  方法区存放了要加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态常量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，

l  方法区是被Java线程共享的

l  方法区要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemoryError: PremGen space的错误信息。

1.2.4.   常量池ConstantPool:

l  常量池是方法区的一部分。

l  常量池中存储两类数据：字面量和引用量。

字面量：字符串、final变量等。

引用量：类/接口、方法和字段的名称和描述符，

l  常量池在编译期间就被确定，并保存在已编译的.class文件中

1.2.5.   本地方法栈Native Method Stack:

l  本地方法栈和Java栈所发挥的作用非常相似，区别不过是Java栈为JVM执行Java方法服务，而本地方法栈为JVM执行Native方法服务。

l  本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

1.3. Java内存模型工作示意图

 

1)         首先类加载器将Java代码加载到方法区

2)         然后执行引擎从方法区找到main方法

3)         为方法创建栈帧放入方法栈，同时创建该栈帧的程序计数器

4)         执行引擎请求CPU执行该方法

5)         CPU将方法栈数据加载到工作内存（寄存器和高速缓存），执行该方法

6)         CPU执行完之后将执行结果从工作内存同步到主内存

 

线程计算的时候，原始的数据来自内存，在计算过程中，有些数据可能被频繁读取，这些数据被存储在寄存器和高速缓存中，当线程计算完后，这些缓存的数据在适当的时候应该写回内存。

当个多个线程同时读写某个内存数据时，就会产生多线程并发问题，要解决这些问题就涉及到多线程编程三个特性：原子性，有序性，可见性。