JVM内存模型总结
JVM内存模型
文章目录
- JVM内存模型
- 整体架构
- 类加载器 ClassLoader
- 运行时数据区
- jvm 三大特性 可见性 原子性 有序性
- 原子性
- 可见性
- 有序性
- volatile实现原理
整体架构
JVM = 类加载器(classloader) + 执行引擎
(executionengine) + 运行时数据区域(runtime dataarea)
java每个线程都有一个虚拟机栈
类加载器 ClassLoader
1.加载过程 7 个步骤 加载–>验证–>准备–>解析–>初始化–>使用–>卸载
2.ClassLoader–>BaseDexClassLoader–>PathClassLoder ，DexClassLoader
3.双亲委托模式 先走父类的加载器加载类，若果没有找打父类才会轮到自己，好处 避免重复加载 安全
运行时数据区
- 运行时数据区 包涵 5 大部分
方法区、堆、栈、本地方法栈、程序计数器
1.程序计数器 ：
我们知道对于一个处理器(如果是多核cpu那就是一核)，在一个
确定的时刻都只会执行一条线程中的指令，一条线程中有多个指
令，为了线程切换可以恢复到正确执行位置，每个线程都需有独
立的一个程序计数器，不同线程之间的程序计数器互不影响，独立存储。
2.本地方法栈 ： 简单的理解为 C 代码的执行去
3.堆 ： 简单的说就是对象的存储区，它是被所有线程共享的一块区域
堆是java虚拟机管理内存最大的一块内存区域，因为堆存放的
对象是线程共享的，所以多线程的时候也需要同步机制。
堆 回收算法使用的复制算法 效率高 没有碎片 利用率低
分为三个区 eden from to （survivor） 按照 8：1:1因为大多数的对象都是朝生夕死的。
4.栈 :
栈描述的是Java方法执行的内存模型。
每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧用于存储局部变量表，
操作栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法被调用的过程
就对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
5.方法区
方法区同堆一样，是所有线程共享的内存区域，为了区分堆，又
被称为非堆。用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变
量，如static修饰的变量加载类的时候就被加载到方法区中。
6.GC
-
堆的回收为了高效的回收，jvm将堆分为三个区域
1.新生代（Young Generation）NewSize和MaxNewSize分别可以控制年轻代的初始大小和最大的大小
2.老年代（Old Generation）
3.永久代（Permanent Generation）【1.8以后采用元空间，就不在堆中了】 -
对象是否存活
- 引用计数算法
早期判断对象是否存活大多都是以这种算法，这种算法判断很简单，简单来说就是给对象添加一个引用计数器，每当对象被引用一次就加1，引用失效时就减1。当为0的时候就判断对象不会再被引用。
优点:实现简单效率高，被广泛使用与如python何游戏脚本语言上。
缺点:难以解决循环引用的问题，就是假如两个对象互相引用已经不会再被其它其它引用，导致一直不会为0就无法进行回收。 - 可达性分析算法
目前主流的商用语言[如java、c#]采用的是可达性分析算法判断对象是否存活。这个算法有效解决了循环利用的弊端。
它的基本思路是通过一个称为“GC Roots”的对象为起始点，搜
索所经过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用跟它连接则证明对象是不可用的。
- 引用计数算法
-
回收算法
1.标记/清除算法【最基础】 （老年代 标记清楚 、整理 新生代 是复制算法）
标记 也是红灰白 对灰色进行清除 标记整理是红色进行整
理 ，清楚会有很多碎片，效率高
2.复制算法
复制内存区域，标记 红蓝灰白色 红色不可回收 灰色可回
收 白色没有分配 蓝色 预留 ， 效率高，内存复制没有碎
片，缺点 利用率只有一半（）
3.标记/整理算法
jvm采用`分代收集算法`对不同区域采用不同的回收算法。
其中新生代使用的是复制算法，老年代使用的是标记清除、标记整理算法。·
jvm 三大特性 可见性 原子性 有序性
volatile 具有可见性和禁止命令重排序，不保证原子性。所以能够达到一次修改其他线程可见
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。
- 例如 i=0 只有一步操作 把0赋给变量i i++则不是，先取出i 再执行i+1 最后把结果赋给i 进行了三部，不符合原子性
- 在单线程环境下我们可以认为以上都是原子性操作，但是在多线程环境下则不同，Java只保证了基本数据类型的变量和赋值操作才是原子性的（注：在32位的JDK环境下，对64位数据的读取不是原子性操作*，如long、double）。要想在多线程环境下保证原子性，则可以通过锁、synchronized来确保。
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。
- 在多线程环境下，一个线程对共享变量的操作对其他线程是不可见的。
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，为了效率是允许编译器和处理器对指令进行重排序，当然重排序它不会影响单线程的运行结果，但是对多线程会有影响。
volatile实现原理
volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性，即 volatile 保证了 可见性和有序性 没有原子性 。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。
- 问题的提出 计算机在运行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，在执行过程中势必会涉及到数据的读写。我们知道程序运行的数据是存储在主存中，这时就会有一个问题，读写主存中的数据没有CPU中执行指令的速度快，如果任何的交互都需要与主存打交道则会大大影响效率，所以就有了CPU高速缓存。CPU高速缓存为某个CPU独有，只与在该CPU运行的线程有关。
有了CPU高速缓存虽然解决了效率问题，但是它会带来一个新的问题：数据一致性。在程序运行中，会将运行所需要的数据复制一份到CPU高速缓存中，在进行运算时CPU不再也主存打交道，而是直接从高速缓存中读写数据，只有当运行结束后才会将数据刷新到主存中。举一个简单的例子：
i++i++
当线程运行这段代码时，
首先会从主存中读取i( i = 1)，
然后复制一份到CPU高速缓存中，
然后CPU执行 + 1 （2）的操作，
然后将数据（2）写入到告诉缓存中，
最后刷新到主存中。
其实这样做在单线程中是没有问题的，有问题的是在多线程中。如下：
假如有两个线程A、B都执行这个操作（i++），按照我们正常的逻辑思维主存中的i值应该=3，但事实是这样么？分析如下：
两个线程从主存中读取i的值（1）到各自的高速缓存中，然后线程A执行+1操作并将结果写入高速缓存中，最后写入主存中，此时主存i==2,线程B做同样的操作，主存中的i仍然=2。所以最终结果为2并不是3。这种现象就是缓存一致性问题。
- 解决缓存一致性方案有两种：
-
通过在总线加LOCK#锁的方式
通过缓存一致性协议
但是方案1存在一个问题，它是采用一种独占的方式来实现的，即总线加LOCK#锁的话，只能有一个CPU能够运行，其他CPU都得阻塞，效率较为低下。 -
第二种方案，缓存一致性协议（MESI协议）它确保每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。其核心思想如下：当某个CPU在写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，则会通知其他CPU告知该变量的缓存行是无效的，因此其他CPU在读取该变量时，发现其无效会重新从主存中加载数据。
一个int变量，用volatile修饰，多线程去操作++，线程安全吗？
不安全。volatile只能保证可见性，并不能保证原子性。
i++实际上会被分成多步完成：
1）获取i的值；
2）执行i+1；
3）将结果赋值给i。
volatile只能保证这3步不被重排序，多线程情况下，可能两个线程同时获取i，执行i+1，然后都赋值结果2，实际上应该进行两次+1操作。
那如何才能保证i++线程安全？
可以使用java.util.concurrent.atomic包下的原子类，如AtomicInteger。
其实现原理是采用CAS自旋操作更新值。CAS即compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。自旋就是不断尝试CAS操作直到成功为止。
CAS实现原子操作会出现什么问题？
ABA问题。因为CAS需要在操作之的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成，有变成A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但实际上发生了变化。ABA问题可以通过添加版本号来解决。Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。
循环时间长开销大。pause指令优化。
只能保证一个共享变量的原子操作。可以合并成一个对象进行CAS操作。
- 总结 ：volatile 可见性的原理是通过内存屏障来实现的。对这个标志符修饰的变量不再从高速缓冲中读取数据，让所有访问该变量的线程都直接从主存中读取数据，以此来保证数据的可见性。
参考 https://www.jianshu.com/p/76959115d486 //这个文章比较好，讲解了volatile 同时还讲解了jvm内存模型
https://www.cnblogs.com/chenssy/p/6379280.html