【Java】---JVM内存模型

JVM简介

概念：JVM==Java Virtual Machin,意为Java虚拟机。
JVM是通过软件模拟Java字节码的指令集,JVM中只是主要保留了PC寄存器，其他的寄存器都进行了裁剪， JVM是一台被定制过的现实当中不存在的计算机。
.VMwave与VirtualBox是通过软件模拟物理CPU的指令集,物理系统中会有很多的寄存器

Java内存区域与内存溢出异常

JVM会在执行Java程序的过程中将他管理的内存分为若干个区域：

线程私有区域：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈
线程共享区域：Java堆、方法区、运行时常量池

线程私有区域详谈

程序计数器（pc）

是一块较小的内存空间，用来指示当前执行线程字节码执行的地址。若当前执行的是Native方法，则计数器值为空。

由于JVM的多线程是由CPU不断的分配CPU时间片段给不同的线程，因此一个处理器只会执行一条线程中的指令，因此切换线程后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要独立的程序计数器，各个线程间计数器互不影响，独立存储。

程序计数器内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定OOM(OutOfMemoryError）的区域。

Java虚拟机栈

Java虚拟机栈是描述Java方法执行的内存模型。每个方法都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链表、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成，就对应一个栈帧在虚拟机中入栈和出栈的过程。

虚拟机栈的局部变量表：存在了编译器可知的8种数据类型，对象引用。局部变量表所需的内存在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法在帧中分配局部变量空间的大小是完全确定的，不会改变。

Java虚拟机栈会产生的异常：

线程请求的栈（递归调用）的深度大于虚拟机能够允许的深度（1000-2000），会抛出StackOverFlowError异常
虚拟机在动态扩展时无法申请到足够的内存，会抛出OOM（OutOfMemoryError）

若是因为多线程导致的内存溢出问题，在不能减少线程数的情况下，只能减少最大堆（-Xmx参数设置）和减少栈容量（-Xss参数设置）的方式换取更多的线程。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈作用完全一样，区别在于本地方法栈为虚拟机使用native方法服务，而虚拟机栈为Java方法服务。

线程共享区域详谈

Java堆

Java堆是JVM所管理的最大的内存区域。Java堆是所有线程共享的一块区域，在Java启动时创建，存放的是对象实例(所有的对象实例和数组都要在堆上分配)。

Java堆是垃圾回收器管理的主要区域（GC堆），Java堆可以处于物理不连续的内存空间中，如果在堆中没有足够的内存完成实例分配并且也无法拓展时，将会抛出OOM

方法区（MateSpace）

用于存储已被Java虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译i去编译后的代码等数据，在JDK8以前的HotSpot虚拟机中，方法区也被称为“永久代”，JDK8称为元空间。
此区域内存回收主要是针对常量池的回收以及对类型的卸载。
当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OOM

运行时常量池（方法区的一部分）

此区域是方法区的一部分，存放字面量（字符串、final常量、基本数据类型的值）与符号引用（类和结构的完全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符）。

Java堆溢出

Java堆OOM异常是最常见的内存溢出，当异常信息提示"Java heap space"，则明确表示OOM发生在堆上。

内存泄漏：泄漏对象不能被GC
内存溢出：内存对象

Java内存模型

主内存（操作系统内存）与工作内存（线程拥有的区域）

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。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到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存进行，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

内存间交互操作

lock()锁定
unlock()解锁
read()读取
load()载入
use()使用
assign()赋值
store()存储
write（）写入
线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下所示

Java内存模型的三大特性

1.原子性：Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和read，若需要大范围的原子性，需要synchronized关键字
2.可见性：指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改，。volatile、 synchronized、ﬁnal三个关键字可以实现可见性。
3.有序性：在本线程内观察，所有的操作都是有序的（线程内表现为串行）；如果在线程中观察另外一个线程，所有的操作都是无序的。

Java内存模型保证有序性的条件是遵循happens-before原则
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
锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
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
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
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
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
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
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

volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是JVM提供的轻量级的同步机制，当一个变量被定义为volatile后，它具备两种特性：
1.保证此变量对所有线程可见（同指同步），volatile变量在各个线程中是一致的，但是volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。在不符合【1. 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值 2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束】，我们仍然需要通过加锁(synchronized或者lock)来保证原子性
2.volatile变量禁止指令重排
1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行
例如单例模式中的double check可用volatile声明变量。

public class Singleton{private Singleton() {}private  volatile static Singleton instance;public  static Singleton getInstance(){if(instance==null){synchronized (Singleton.class){if(instance==null){instance=new Singleton();}}}return instance;}
}