Java 内存模型与内存结构

Java内存模型

一、简介

Java内存模型(JMM)主要是为了规定线程和内存之间的一些关系；根据JMM的设计，系统存在一个主内存(Main Memory)和工作内存（Work Memory），Java中所有变量都储存在主内存中，对于所有线程都是共享的；每条线程都有自己的工作内存，工作内存中存储了该线程已读、写共享变量的副本，工作内存是JMM的一个抽象概念，主要包括：缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化；线程对所有变量的操作都是在工作内存中进行的，线程之间无法相互直接访问，变量传递均需要通过主内存完成。JMM示意图如下：

二、JMM带来了哪些问题？

1、可见性问题

CPU中运行的线程从主内存中拷贝共享对象obj到它的CPU缓存，把对象obj的count变量改为2，但这个变更对运行在右边CPU中的线程不可见，因为这个更改还没有flush到主内存中，要解决共享对象可见性这个问题，可以使用 volatile 或加锁（如：synchronized），来保证可见性。

2、竞争问题

线程A和线程B共享一个对象obj，假设线程A从主存读取Obj.count变量到自己的CPU缓存，同时，线程B也读取了Obj.count变量到自己的CPU缓存，并且这两个线程都对Obj.count做了加1操作；此时，Obj.count加1操作被执行了两次，不过都在不同的CPU缓存中，如果这两个加1操作是串行执行的，那么Obj.count变量便会在原始值上加2，最终主存中的Obj.count的值会是3；然而如果是并行操作，不管是线程A还是线程B先flush计算结果到主存，最终主内存中的Obj.count只会增加1次变成2；可以使用加锁（如：synchronized）解决此问题，来保证一致性。

3、重排序问题

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。

可以使用volatile或加锁（如：synchronized）来保证有序性。

Java内存结构

先看一下结构图：

从图中可以看出Java内存结构包括五大区域：堆、方法区、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器，其中堆、方法区线程共享，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器线程私有。

1、堆

堆是Java虚拟机管理的最大一块内存区域，存放所有对象实例和数组，因为堆存放的对象是线程共享的，所以多线程的时候需要同步机制；堆又划分为：年轻代、老年代、永久代（JDK1.7）/元空间(JDK1.8)，元空间与永久代的区别在于：永久代使用的是虚拟机内存，元空间则采用本地内存。

2、虚拟机栈

虚拟机栈描述的是线程进栈出栈的过程，线程结束内存自动释放,它用来存储当前线程运行方法所需要的数据、指令、返回地址(即局部变量和正在调用的方法)，方法被调用时会在栈中开辟一块叫栈帧的空间，方法运行在栈帧空间中。

3、本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈的作用十分相似,区别是虚拟机栈执行的是Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用native方法服务,可能底层调用的c或者c++方法。

4、方法区

方法区同堆一样，是所有线程共享的内存区域，又被称为非堆，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等。

5、程序计数器

程序计数器是一块很小的内存空间，它是线程私有的，可以认作是当前线程的行号指示器。

参考：

[1] https://www.jianshu.com/p/8a58d8335270

[2] https://www.jianshu.com/p/de097e7a813a

[3] http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/java-memory-model.html