Java運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域與硬件內(nèi)存的關(guān)系1

什么是 JMM？

在上一篇文章中，我們了解了計(jì)算機(jī)由于各個(gè)硬件的讀取速度之間的巨大差距,和充分利用CPU的性能的手段方法，及其所帶來的一系列問題：

1. 為了充分壓榨CPU的性能， CPU 會(huì)對(duì)指令亂序執(zhí)行或者語言的編譯器會(huì)指令重排 ，讓CPU一直工作不停歇，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致有序性問題。
2. 為了平衡CPU的寄存器和內(nèi)存的速度差異，計(jì)算機(jī)的CPU 增加了高速緩存，但同時(shí)導(dǎo)致了 可見性問題
3. 為了平衡CPU 與 I/O 設(shè)備的速度差異，操作系統(tǒng)增加了進(jìn)程、線程概念，以分時(shí)復(fù)用 CPU，但同時(shí)導(dǎo)致了原子性問題。

Java 是最早嘗試提供內(nèi)存模型的編程語言。由于Java 語言是跨平臺(tái)的，另外各個(gè)操作系統(tǒng)總存在一些差異，Java在物理機(jī)器的基礎(chǔ)上抽象出一個(gè)內(nèi)存模型(JMM)

JMM 可以看作是 Java 定義的并發(fā)編程相關(guān)的一組規(guī)范，除了抽象了線程和主內(nèi)存之間的關(guān)系之外，其還規(guī)定了從 Java 源代碼到 CPU 可執(zhí)行指令的這個(gè)轉(zhuǎn)化過程要遵守哪些和并發(fā)相關(guān)的原則和規(guī)范，這樣就可以屏蔽各個(gè)操作系統(tǒng)的差異，簡(jiǎn)化多線程編程。

Java 運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域與硬件內(nèi)存的關(guān)系

Java 內(nèi)存區(qū)域和Java內(nèi)存模型有何區(qū)別？

這是一個(gè)非常容易讓人混淆的問題，Java 內(nèi)存區(qū)域和內(nèi)存模型完全是不一樣的東西，

1. Java 內(nèi)存區(qū)域, 也叫內(nèi)存區(qū)域、JVM內(nèi)存模型，和 Java 虛擬機(jī)(JVM)的運(yùn)行時(shí)區(qū)域相關(guān)，是指 JVM運(yùn)行時(shí)將數(shù)據(jù)分區(qū)域存儲(chǔ)，強(qiáng)調(diào)對(duì)內(nèi)存空間的劃分。
2. Java內(nèi)存模型,也叫內(nèi)存模型(JMM),是Java 定義的并發(fā)編程相關(guān)的一組規(guī)范，除了抽象了線程和主內(nèi)存之間的關(guān)系之外，其還規(guī)定了從 Java 源代碼到 CPU 可執(zhí)行指令的這個(gè)轉(zhuǎn)化過程要遵守哪些和并發(fā)相關(guān)的原則和規(guī)范，屏蔽各個(gè)操作系統(tǒng)的差異。通俗點(diǎn)說： JMM規(guī)范了程序中變量的訪問規(guī)則，保證了操作的原子性、可見性、有序性， 我們下文慢慢道來。

我們知道JVM 運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域是分區(qū)域的，分為棧、堆等，其實(shí)這些都是 JVM 定義的邏輯概念。但在傳統(tǒng)的硬件內(nèi)存架構(gòu)中是沒有棧和堆這種概念。

其中：

1. 圖中?？梢约?xì)分為：虛擬機(jī)棧（JVM Stacks）和 本地方法棧（Native Method Stack）

• 虛擬機(jī)棧（JVM Stacks）： 線程私有，它的生命周期和線程相同 ，描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)線幀（Stack Frame）用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息，每個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)線幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程
• 本地方法棧（Native Method Stack）： 線程私有 ，本地方法棧與虛擬機(jī)棧的作用是一樣的，只不過虛擬機(jī)棧是服務(wù)Java方法的，而本地方法棧是為虛擬機(jī)調(diào)用Native方法服務(wù)的。在Java虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)于本地方法棧沒有特殊的要求，虛擬機(jī)可以自由的實(shí)現(xiàn)它，因此 在Sun HotSpot虛擬機(jī)直接把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一了 。線程開始調(diào)用本地方法時(shí)，會(huì)進(jìn)入 不再受 JVM 約束的世界。本地方法可以通過 JNI(Java Native Interface)來訪問虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，甚至可以調(diào)用寄存器，具有和 JVM 相同的能力和權(quán)限。JNI 類本地方法最著名的應(yīng)該是 System.currentTimeMillis()

2. 堆（Heap）

虛擬機(jī)堆是Java虛擬機(jī)中內(nèi)存最大的一塊，是被所有線程共享的，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)候創(chuàng)建，Java堆唯一的目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存，隨著JIT編譯器的發(fā)展和逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化的技術(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些微妙的變化，所有的對(duì)象都分配在堆上漸漸變得不那么“絕對(duì)”了。

Java中棧和堆既存在于計(jì)算機(jī)的高速緩存中，又存在于主存中，所以兩者并沒有很直接的關(guān)系。

Java 線程與主內(nèi)存的關(guān)系

Java 內(nèi)存模型（JMM） 抽象了線程和主內(nèi)存之間的關(guān)系，就比如說線程之間的共享變量必須存儲(chǔ)在主內(nèi)存中。在 JDK1.2 之前，Java 的內(nèi)存模型實(shí)現(xiàn)總是從 主存 （即共享內(nèi)存）讀取變量，是不需要進(jìn)行特別的注意的。而在當(dāng)前的 Java 內(nèi)存模型下，線程可以把變量保存 本地內(nèi)存 （比如機(jī)器的寄存器）中，而不是直接在主存中進(jìn)行讀寫。這就可能造成一個(gè)線程在主存中修改了一個(gè)變量的值，而另外一個(gè)線程還繼續(xù)使用它在寄存器中的變量值的拷貝，造成數(shù)據(jù)的不一致。

什么是主內(nèi)存？什么是本地內(nèi)存？

• 主內(nèi)存 ：所有線程創(chuàng)建的實(shí)例對(duì)象都存放在主內(nèi)存中，不管該實(shí)例對(duì)象是成員變量還是方法中的本地變量(也稱局部變量)
• 本地內(nèi)存 ：每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存來存儲(chǔ)共享變量的副本，并且，每個(gè)線程只能訪問自己的本地內(nèi)存，無法訪問其他線程的本地內(nèi)存。本地內(nèi)存是 JMM 抽象出來的一個(gè)概念，存儲(chǔ)了主內(nèi)存中的共享變量副本。

Java 內(nèi)存模型其實(shí)是一種規(guī)范，定義了很多東西：

• 所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存（Main Memory）中。
• 每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存 （Local Memory），本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀/寫共享變量的拷貝副本。
• 線程對(duì)變量的所有操作都必須在本地內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。
• 不同的線程之間無法直接訪問對(duì)方本地內(nèi)存中的變量。

這里所講的主內(nèi)存、工作內(nèi)存與 Java 內(nèi)存區(qū)域中的 Java 堆、棧、方法區(qū)等并不是同一個(gè)層次的內(nèi)存劃分，這兩者基本上是沒有關(guān)系的，如果兩者一定要勉強(qiáng)對(duì)應(yīng)起來，那從變量、主內(nèi)存、工作內(nèi)存的定義來看，主內(nèi)存主要對(duì)應(yīng)于Java堆中的對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分，而工作內(nèi)存則對(duì)應(yīng)于虛擬機(jī)棧中的部分區(qū)域。