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 1：什么是JVM

大家可以想想，JVM 是什么?JVM是用來(lái)干什么的?在這里我列出了三個(gè)概念，第一個(gè)是JVM，第二個(gè)是JDK，第三個(gè)是JRE。相信大家對(duì)這三個(gè)不會(huì)很陌生，相信你們都用過(guò)，但是，你們對(duì)這三個(gè)概念有清晰的知道么?我不知道你們會(huì)不會(huì)，知不知道。接下來(lái)你們看看我對(duì)JVM的理解。

(1)：JVM

JVM是Java Virtual Machine(Java虛擬機(jī))的縮寫(xiě)，JVM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，它是一個(gè)虛構(gòu)出來(lái)的計(jì)算機(jī)，是通過(guò)在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

引入Java語(yǔ)言虛擬機(jī)后，Java語(yǔ)言在不同平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)不需要重新編譯。

Java語(yǔ)言使用Java虛擬機(jī)屏蔽了與具體平臺(tái)相關(guān)的信息，

使得Java語(yǔ)言編譯程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼(字節(jié)碼)，

就可以在多種平臺(tái)上不加修改地運(yùn)行。

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)，把字節(jié)碼解釋成具體平臺(tái)上的機(jī)器指令執(zhí)行。

這就是Java的能夠“一次編譯，到處運(yùn)行”的原因。

(2)：JDK

JDK(Java Development Kit) 是 Java 語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)工具包(SDK)。

JDK包含的基本組件包括：

1. javac – 編譯器，將源程序轉(zhuǎn)成字節(jié)碼
2. jar – 打包工具，將相關(guān)的類(lèi)文件打包成一個(gè)文件
3. javadoc – 文檔生成器，從源碼注釋中提取文檔
4. jdb – debugger，查錯(cuò)工具
5. java – 運(yùn)行編譯后的java程序(.class后綴的)
6. appletviewer：小程序?yàn)g覽器，一種執(zhí)行HTML文件上的Java小程序的Java瀏覽器。
7. Javah：產(chǎn)生可以調(diào)用Java過(guò)程的C過(guò)程，或建立能被Java程序調(diào)用的C過(guò)程的頭文件。
8. Javap：Java反匯編器，顯示編譯類(lèi)文件中的可訪問(wèn)功能和數(shù)據(jù)，同時(shí)顯示字節(jié)代碼含義。
9. Jconsole: Java進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和監(jiān)控的工具

(3):JRE

JRE(Java Runtime Environment，Java運(yùn)行環(huán)境)，運(yùn)行JAVA程序所必須的環(huán)境的集合，包含JVM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)及Java核心類(lèi)庫(kù)。

包括兩部分：

Java Runtime Environment:

• 是可以在其上運(yùn)行、測(cè)試和傳輸應(yīng)用程序的Java平臺(tái)。
• 它包括Java虛擬機(jī)(jvm)、Java核心類(lèi)庫(kù)和支持文件。
• 它不包含開(kāi)發(fā)工具(JDK)--編譯器、調(diào)試器和其它工具。
• JRE需要輔助軟件--Java Plug-in--以便在瀏覽器中運(yùn)行applet。

Java Plug-in。

允許Java Applet和JavaBean組件在使用Sun的Java Runtime Environment(JRE)的瀏覽器中運(yùn)行，

而不是在使用缺省的Java運(yùn)行環(huán)境的瀏覽器中運(yùn)行。

Java Plug-in可用于Netscape Navigator和Microsoft Internet Explorer。

2：JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過(guò)程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。這些區(qū)域都有各自的用途，已經(jīng)創(chuàng)建和銷(xiāo)毀時(shí)間，有的區(qū)域隨著虛擬機(jī)進(jìn)程的啟動(dòng)而創(chuàng)建，有些區(qū)域則依賴(lài)用戶(hù)線程的啟動(dòng)和結(jié)束而創(chuàng)建和銷(xiāo)毀。根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范(Java SE 7)》的規(guī)定，Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會(huì)包括以下幾個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，如下圖所示：

2.1、程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里(僅是概念模型，各種虛擬機(jī)可能會(huì)通過(guò)一些更高效的方式去實(shí)現(xiàn))，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令、分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴(lài)這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。

由于Java虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器都只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各個(gè)線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)。

如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，那這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址;如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空(undefined)。

此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

程序計(jì)數(shù)器是線程私有的，它的生命周期與線程相同(隨線程而生，隨線程而滅)。

2.2、Java虛擬機(jī)棧

虛擬機(jī)棧(Java Virtual Machine Stack)描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(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。每一個(gè)方法從被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過(guò)程。

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常情況：

如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常;

如果虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展(當(dāng)前大部分的Java虛擬機(jī)都可以擴(kuò)展)，如果擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

與程序寄存器一樣，java虛擬機(jī)棧也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。

2.3、本地方法棧

本地方法棧(Native Method Stack)與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常類(lèi)似，它們之間的區(qū)別在于虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。在虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中方法使用的語(yǔ)言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由的實(shí)現(xiàn)它。

與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧也是線程私有的。

2.4、Java 堆(Java Heap)

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Java 堆(Java Heap)是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)的是創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在這里分配內(nèi)存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱(chēng)為“GC堆”(Garbage Collected Heap)。從內(nèi)存回收的角度來(lái)看，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆還可以細(xì)分為：新生代和老年代;新生代又可以分為：Eden 空間、From Survivor空間、To Survivor空間。

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤(pán)空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過(guò)當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)的(通過(guò)-Xms和-Xmx控制)。如果在堆中沒(méi)有內(nèi)存完成實(shí)例的分配，并且堆也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

2.5、方法區(qū)(Method Area)

方法區(qū)(Method Area)和Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存放已被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、JIT編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。方法區(qū)在虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候創(chuàng)建。

Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)方法區(qū)的限制非常寬松，除了和堆一樣不需要不連續(xù)的內(nèi)存空間和可以固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，如果方法區(qū)的內(nèi)存空間不能滿(mǎn)足內(nèi)存分配需要時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

2.6、運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool)是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類(lèi)的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池(Constant Pool Table)，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類(lèi)加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中存放。

2.7、直接內(nèi)存

直接內(nèi)存(Direct Memory)并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。但是這部分內(nèi)存也被頻繁使用，而且也可能導(dǎo)致OutOfMemoryError異常出現(xiàn)。

在JDK 1.4 中新加入了NIO(New Input/Output)類(lèi)，引入了一種基于通道(Channel)與緩沖區(qū)(Buffer)的I/O方法，它可以使用Native函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存，然后通過(guò)一個(gè)存儲(chǔ)在Java堆中DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣能在一些場(chǎng)景中顯著提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù)。

到這里我們大致知道了Java虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)區(qū)的概況，接下來(lái)會(huì)繼續(xù)介紹更多JVM相關(guān)信息。

3：JVM內(nèi)存模型

Java內(nèi)存模型即Java Memory Model，簡(jiǎn)稱(chēng)JMM。JMM定義了Java 虛擬機(jī)(JVM)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存(RAM)中的工作方式。JVM是整個(gè)計(jì)算機(jī)虛擬模型，所以JMM是隸屬于JVM的。

如果我們要想深入了解Java并發(fā)編程，就要先理解好Java內(nèi)存模型。Java內(nèi)存模型定義了多線程之間共享變量的可見(jiàn)性以及如何在需要的時(shí)候?qū)蚕碜兞窟M(jìn)行同步。原始的Java內(nèi)存模型效率并不是很理想，因此Java1.5版本對(duì)其進(jìn)行了重構(gòu)，現(xiàn)在的Java8仍沿用了Java1.5的版本。

關(guān)于并發(fā)編程

在并發(fā)編程領(lǐng)域，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：線程之間的通信和同步。

線程之間的通信

線程的通信是指線程之間以何種機(jī)制來(lái)交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機(jī)制有兩種共享內(nèi)存和消息傳遞。

在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過(guò)寫(xiě)-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來(lái)隱式進(jìn)行通信，典型的共享內(nèi)存通信方式就是通過(guò)共享對(duì)象進(jìn)行通信。

在消息傳遞的并發(fā)模型里，線程之間沒(méi)有公共狀態(tài)，線程之間必須通過(guò)明確的發(fā)送消息來(lái)顯式進(jìn)行通信，在java中典型的消息傳遞方式就是wait()和notify()。

關(guān)于Java線程之間的通信，可以參考線程之間的通信(thread signal)。

線程之間的同步

同步是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對(duì)順序的機(jī)制。

在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進(jìn)行的。程序員必須顯式指定某個(gè)方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行。

在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進(jìn)行的。

Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型

Java線程之間的通信總是隱式進(jìn)行，整個(gè)通信過(guò)程對(duì)程序員完全透明。如果編寫(xiě)多線程程序的Java程序員不理解隱式進(jìn)行的線程之間通信的工作機(jī)制，很可能會(huì)遇到各種奇怪的內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。

Java內(nèi)存模型

上面講到了Java線程之間的通信采用的是過(guò)共享內(nèi)存模型，這里提到的共享內(nèi)存模型指的就是Java內(nèi)存模型(簡(jiǎn)稱(chēng)JMM)，JMM決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫(xiě)入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見(jiàn)。從抽象的角度來(lái)看，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲(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(xiě)共享變量的副本。本地內(nèi)存是JMM的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在。它涵蓋了緩存，寫(xiě)緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。

從上圖來(lái)看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個(gè)步驟：

1. 首先，線程A把本地內(nèi)存A中更新過(guò)的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。

2. 然后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過(guò)的共享變量。

下面通過(guò)示意圖來(lái)說(shuō)明這兩個(gè)步驟：

如上圖所示，本地內(nèi)存A和B有主內(nèi)存中共享變量x的副本。假設(shè)初始時(shí)，這三個(gè)內(nèi)存中的x值都為0。線程A在執(zhí)行時(shí)，把更新后的x值(假設(shè)值為1)臨時(shí)存放在自己的本地內(nèi)存A中。當(dāng)線程A和線程B需要通信時(shí)，線程A首先會(huì)把自己本地內(nèi)存中修改后的x值刷新到主內(nèi)存中，此時(shí)主內(nèi)存中的x值變?yōu)榱?。隨后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A更新后的x值，此時(shí)線程B的本地內(nèi)存的x值也變?yōu)榱?。

從整體來(lái)看，這兩個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個(gè)通信過(guò)程必須要經(jīng)過(guò)主內(nèi)存。JMM通過(guò)控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來(lái)為java程序員提供內(nèi)存可見(jiàn)性保證。

上面也說(shuō)到了，Java內(nèi)存模型只是一個(gè)抽象概念，那么它在Java中具體是怎么工作的呢?為了更好的理解上Java內(nèi)存模型工作方式，下面就JVM對(duì)Java內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn)、硬件內(nèi)存模型及它們之間的橋接做詳細(xì)介紹。

JVM對(duì)Java內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn)

在JVM內(nèi)部，Java內(nèi)存模型把內(nèi)存分成了兩部分：線程棧區(qū)和堆區(qū)，下圖展示了Java內(nèi)存模型在JVM中的邏輯視圖：

JVM中運(yùn)行的每個(gè)線程都擁有自己的線程棧，線程棧包含了當(dāng)前線程執(zhí)行的方法調(diào)用相關(guān)信息，我們也把它稱(chēng)作調(diào)用棧。隨著代碼的不斷執(zhí)行，調(diào)用棧會(huì)不斷變化。

線程棧還包含了當(dāng)前方法的所有本地變量信息。一個(gè)線程只能讀取自己的線程棧，也就是說(shuō)，線程中的本地變量對(duì)其它線程是不可見(jiàn)的。即使兩個(gè)線程執(zhí)行的是同一段代碼，它們也會(huì)各自在自己的線程棧中創(chuàng)建本地變量，因此，每個(gè)線程中的本地變量都會(huì)有自己的版本。

所有原始類(lèi)型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)的本地變量都直接保存在線程棧當(dāng)中，對(duì)于它們的值各個(gè)線程之間都是獨(dú)立的。對(duì)于原始類(lèi)型的本地變量，一個(gè)線程可以傳遞一個(gè)副本給另一個(gè)線程，當(dāng)它們之間是無(wú)法共享的。

堆區(qū)包含了Java應(yīng)用創(chuàng)建的所有對(duì)象信息，不管對(duì)象是哪個(gè)線程創(chuàng)建的，其中的對(duì)象包括原始類(lèi)型的封裝類(lèi)(如Byte、Integer、Long等等)。不管對(duì)象是屬于一個(gè)成員變量還是方法中的本地變量，它都會(huì)被存儲(chǔ)在堆區(qū)。

下圖展示了調(diào)用棧和本地變量都存儲(chǔ)在棧區(qū)，對(duì)象都存儲(chǔ)在堆區(qū)：

一個(gè)本地變量如果是原始類(lèi)型，那么它會(huì)被完全存儲(chǔ)到棧區(qū)。

一個(gè)本地變量也有可能是一個(gè)對(duì)象的引用，這種情況下，這個(gè)本地引用會(huì)被存儲(chǔ)到棧中，但是對(duì)象本身仍然存儲(chǔ)在堆區(qū)。

對(duì)于一個(gè)對(duì)象的成員方法，這些方法中包含本地變量，仍需要存儲(chǔ)在棧區(qū)，即使它們所屬的對(duì)象在堆區(qū)。

對(duì)于一個(gè)對(duì)象的成員變量，不管它是原始類(lèi)型還是包裝類(lèi)型，都會(huì)被存儲(chǔ)到堆區(qū)。

Static類(lèi)型的變量以及類(lèi)本身相關(guān)信息都會(huì)隨著類(lèi)本身存儲(chǔ)在堆區(qū)。

堆中的對(duì)象可以被多線程共享。如果一個(gè)線程獲得一個(gè)對(duì)象的應(yīng)用，它便可訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象的成員變量。如果兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用了同一個(gè)對(duì)象的同一個(gè)方法，那么這兩個(gè)線程便可同時(shí)訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象的成員變量，但是對(duì)于本地變量，每個(gè)線程都會(huì)拷貝一份到自己的線程棧中。

下圖展示了上面描述的過(guò)程:

硬件內(nèi)存架構(gòu)

不管是什么內(nèi)存模型，最終還是運(yùn)行在計(jì)算機(jī)硬件上的，所以我們有必要了解計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存架構(gòu)，下圖就簡(jiǎn)單描述了當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存架構(gòu)：

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般都有2個(gè)以上CPU，而且每個(gè)CPU還有可能包含多個(gè)核心。因此，如果我們的應(yīng)用是多線程的話，這些線程可能會(huì)在各個(gè)CPU核心中并行運(yùn)行。

在CPU內(nèi)部有一組CPU寄存器，也就是CPU的儲(chǔ)存器。CPU操作寄存器的速度要比操作計(jì)算機(jī)主存快的多。在主存和CPU寄存器之間還存在一個(gè)CPU緩存，CPU操作CPU緩存的速度快于主存但慢于CPU寄存器。某些CPU可能有多個(gè)緩存層(一級(jí)緩存和二級(jí)緩存)。計(jì)算機(jī)的主存也稱(chēng)作RAM，所有的CPU都能夠訪問(wèn)主存，而且主存比上面提到的緩存和寄存器大很多。

當(dāng)一個(gè)CPU需要訪問(wèn)主存時(shí)，會(huì)先讀取一部分主存數(shù)據(jù)到CPU緩存，進(jìn)而在讀取CPU緩存到寄存器。當(dāng)CPU需要寫(xiě)數(shù)據(jù)到主存時(shí)，同樣會(huì)先f(wàn)lush寄存器到CPU緩存，然后再在某些節(jié)點(diǎn)把緩存數(shù)據(jù)flush到主存。

Java內(nèi)存模型和硬件架構(gòu)之間的橋接

正如上面講到的，Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存架構(gòu)并不一致。硬件內(nèi)存架構(gòu)中并沒(méi)有區(qū)分棧和堆，從硬件上看，不管是棧還是堆，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都會(huì)存到主存中，當(dāng)然一部分棧和堆的數(shù)據(jù)也有可能會(huì)存到CPU寄存器中，如下圖所示，Java內(nèi)存模型和計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存架構(gòu)是一個(gè)交叉關(guān)系：

當(dāng)對(duì)象和變量存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的各個(gè)內(nèi)存區(qū)域時(shí)，必然會(huì)面臨一些問(wèn)題，其中最主要的兩個(gè)問(wèn)題是：

1. 共享對(duì)象對(duì)各個(gè)線程的可見(jiàn)性

2. 共享對(duì)象的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象123

共享對(duì)象的可見(jiàn)性

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)操作同一個(gè)共享對(duì)象時(shí)，如果沒(méi)有合理的使用volatile和synchronization關(guān)鍵字，一個(gè)線程對(duì)共享對(duì)象的更新有可能導(dǎo)致其它線程不可見(jiàn)。

想象一下我們的共享對(duì)象存儲(chǔ)在主存，一個(gè)CPU中的線程讀取主存數(shù)據(jù)到CPU緩存，然后對(duì)共享對(duì)象做了更改，但CPU緩存中的更改后的對(duì)象還沒(méi)有flush到主存，此時(shí)線程對(duì)共享對(duì)象的更改對(duì)其它CPU中的線程是不可見(jiàn)的。最終就是每個(gè)線程最終都會(huì)拷貝共享對(duì)象，而且拷貝的對(duì)象位于不同的CPU緩存中。

下圖展示了上面描述的過(guò)程。左邊CPU中運(yùn)行的線程從主存中拷貝共享對(duì)象obj到它的CPU緩存，把對(duì)象obj的count變量改為2。但這個(gè)變更對(duì)運(yùn)行在右邊CPU中的線程不可見(jiàn)，因?yàn)檫@個(gè)更改還沒(méi)有flush到主存中：

要解決共享對(duì)象可見(jiàn)性這個(gè)問(wèn)題，我們可以使用java volatile關(guān)鍵字。 Java’s volatile keyword. volatile 關(guān)鍵字可以保證變量會(huì)直接從主存讀取，而對(duì)變量的更新也會(huì)直接寫(xiě)到主存。volatile原理是基于CPU內(nèi)存屏障指令實(shí)現(xiàn)的，后面會(huì)講到。

競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象

如果多個(gè)線程共享一個(gè)對(duì)象，如果它們同時(shí)修改這個(gè)共享對(duì)象，這就產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。

如下圖所示，線程A和線程B共享一個(gè)對(duì)象obj。假設(shè)線程A從主存讀取Obj.count變量到自己的CPU緩存，同時(shí)，線程B也讀取了Obj.count變量到它的CPU緩存，并且這兩個(gè)線程都對(duì)Obj.count做了加1操作。此時(shí)，Obj.count加1操作被執(zhí)行了兩次，不過(guò)都在不同的CPU緩存中。

如果這兩個(gè)加1操作是串行執(zhí)行的，那么Obj.count變量便會(huì)在原始值上加2，最終主存中的Obj.count的值會(huì)是3。然而下圖中兩個(gè)加1操作是并行的，不管是線程A還是線程B先f(wàn)lush計(jì)算結(jié)果到主存，最終主存中的Obj.count只會(huì)增加1次變成2，盡管一共有兩次加1操作。

要解決上面的問(wèn)題我們可以使用java synchronized代碼塊。synchronized代碼塊可以保證同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程進(jìn)入代碼競(jìng)爭(zhēng)區(qū)，synchronized代碼塊也能保證代碼塊中所有變量都將會(huì)從主存中讀，當(dāng)線程退出代碼塊時(shí)，對(duì)所有變量的更新將會(huì)flush到主存，不管這些變量是不是volatile類(lèi)型的。

volatile和 synchronized區(qū)別

1. volatile本質(zhì)是在告訴jvm當(dāng)前變量在寄存器(工作內(nèi)存)中的值是不確定的，需要從主存中讀取; synchronized則是鎖定當(dāng)前變量，只有當(dāng)前線程可以訪問(wèn)該變量，其他線程被阻塞住。
2. volatile僅能使用在變量級(jí)別;synchronized則可以使用在變量、方法、和類(lèi)級(jí)別的
3. volatile僅能實(shí)現(xiàn)變量的修改可見(jiàn)性，不能保證原子性;而synchronized則可以保證變量的修改可見(jiàn)性和原子性
4. volatile不會(huì)造成線程的阻塞;synchronized可能會(huì)造成線程的阻塞。
5. volatile標(biāo)記的變量不會(huì)被編譯器優(yōu)化;synchronized標(biāo)記的變量可以被編譯器優(yōu)化

支撐Java內(nèi)存模型的基礎(chǔ)原理

指令重排序

在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器會(huì)對(duì)指令做重排序。但是，JMM確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺(tái)之上，通過(guò)插入特定類(lèi)型的Memory Barrier來(lái)禁止特定類(lèi)型的編譯器重排序和處理器重排序，為上層提供一致的內(nèi)存可見(jiàn)性保證。

1. 編譯器優(yōu)化重排序：編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的前提下，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序。
2. 指令級(jí)并行的重排序：如果不存l在數(shù)據(jù)依賴(lài)性，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
3. 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序：處理器使用緩存和讀寫(xiě)緩沖區(qū)，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

數(shù)據(jù)依賴(lài)性

如果兩個(gè)操作訪問(wèn)同一個(gè)變量，其中一個(gè)為寫(xiě)操作，此時(shí)這兩個(gè)操作之間存在數(shù)據(jù)依賴(lài)性。

編譯器和處理器不會(huì)改變存在數(shù)據(jù)依賴(lài)性關(guān)系的兩個(gè)操作的執(zhí)行順序，即不會(huì)重排序。

as-if-serial

不管怎么重排序，單線程下的執(zhí)行結(jié)果不能被改變，編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語(yǔ)義。

內(nèi)存屏障(Memory Barrier )

上面講到了，通過(guò)內(nèi)存屏障可以禁止特定類(lèi)型處理器的重排序，從而讓程序按我們預(yù)想的流程去執(zhí)行。內(nèi)存屏障，又稱(chēng)內(nèi)存柵欄，是一個(gè)CPU指令，基本上它是一條這樣的指令：

1. 保證特定操作的執(zhí)行順序。
2. 影響某些數(shù)據(jù)(或則是某條指令的執(zhí)行結(jié)果)的內(nèi)存可見(jiàn)性。

編譯器和CPU能夠重排序指令，保證最終相同的結(jié)果，嘗試優(yōu)化性能。插入一條Memory Barrier會(huì)告訴編譯器和CPU：不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序。

Memory Barrier所做的另外一件事是強(qiáng)制刷出各種CPU cache，如一個(gè)Write-Barrier(寫(xiě)入屏障)將刷出所有在Barrier之前寫(xiě)入 cache 的數(shù)據(jù)，因此，任何CPU上的線程都能讀取到這些數(shù)據(jù)的最新版本。

這和java有什么關(guān)系?上面java內(nèi)存模型中講到的volatile是基于Memory Barrier實(shí)現(xiàn)的。

如果一個(gè)變量是volatile修飾的，JMM會(huì)在寫(xiě)入這個(gè)字段之后插進(jìn)一個(gè)Write-Barrier指令，并在讀這個(gè)字段之前插入一個(gè)Read-Barrier指令。這意味著，如果寫(xiě)入一個(gè)volatile變量，就可以保證：

1. 一個(gè)線程寫(xiě)入變量a后，任何線程訪問(wèn)該變量都會(huì)拿到最新值。
2. 在寫(xiě)入變量a之前的寫(xiě)入操作，其更新的數(shù)據(jù)對(duì)于其他線程也是可見(jiàn)的。因?yàn)镸emory Barrier會(huì)刷出cache中的所有先前的寫(xiě)入。

happens-before

從jdk5開(kāi)始，java使用新的JSR-133內(nèi)存模型，基于happens-before的概念來(lái)闡述操作之間的內(nèi)存可見(jiàn)性。

在JMM中，如果一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見(jiàn)，那么這兩個(gè)操作之間必須要存在happens-before關(guān)系，這個(gè)的兩個(gè)操作既可以在同一個(gè)線程，也可以在不同的兩個(gè)線程中。

與程序員密切相關(guān)的happens-before規(guī)則如下：

1. 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作，happens-before于該線程中任意的后續(xù)操作。
2. 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖操作，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖操作。
3. volatile域規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫(xiě)操作，happens-before于任意線程后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。
4. 傳遞性規(guī)則：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么A happens-before C。

注意：兩個(gè)操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味前一個(gè)操作必須要在后一個(gè)操作之前執(zhí)行!僅僅要求前一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果，對(duì)于后一個(gè)操作是可見(jiàn)的，且前一個(gè)操作按順序排在后一個(gè)操作之前。