Java内存区域与Java内存模型

小周学java 2019-08-12

架构 java jvm 程序员 线程 内存模型 多线程 thread 存储 数组

Java虚拟机在运行程序时把其自动管理的内存划分为以下几个区域。这个区域里的一些数据在JVM启动的时候创建,在JVM退出的时候销毁。而其他的数据依赖于每一个线程,在线程创建时创建,在线程退出时销毁。

  1. 方法区(Method Area):

方法区又称Non-Heap(非堆),主要用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。简单说方法区用来存储类型的元数据信息,一个.class文件是类被java虚拟机使用之前的表现形式,一旦这个类要被使用,java虚拟机就会对其进行装载、连接(验证、准备、解析)和初始化。而装载(后的结果就是由.class文件转变为方法区中的一段特定的数据结构。这个数据结构会存储如下信息:

类型信息
这个类型的全限定名
这个类型的直接超类的全限定名
这个类型是类类型还是接口类型
这个类型的访问修饰符
任何直接超接口的全限定名的有序列表
字段信息
字段名
字段类型
字段的修饰符
方法信息
方法名
方法返回类型
方法参数的数量和类型(按照顺序)
方法的修饰
其他信息
除了常量以外的所有类(静态)变量
一个指向ClassLoader的指针
一个指向Class对象的指针
常量池(常量数据以及对其他类型的符号引用)
JVM为每个已加载的类型都维护一个常量池。常量池就是这个类型用到的常量的一个有序集合,包括实际的常量(string,integer,和floating point常量)和对类型,域和方法的符号引用。池中的数据项象数组项一样,是通过索引访问的。

每个类的这些元数据,无论是在构建这个类的实例还是调用这个类某个对象的方法,都会访问方法区的这些元数据。

构建一个对象时,JVM会在堆中给对象分配空间,这些空间用来存储当前对象实例属性以及其父类的实例属性(而这些属性信息都是从方法区获得),注意,这里并不是仅仅为当前对象的实例属性分配空间,还需要给父类的实例属性分配,到此其实我们就可以回答第一个问题了,即实例化父类的某个子类时,JVM也会同时构建父类的一个对象。从另外一个角度也可以印证这个问题:调用当前类的构造方法时,首先会调用其父类的构造方法直到Object,而构造方法的调用意味着实例的创建,所以子类实例化时,父类肯定也会被实例化。

类变量被类的所有实例共享,即使没有类实例时你也可以访问它。这些变量只与类相关,所以在方法区中,它们成为类数据在逻辑上的一部分。在JVM使用一个类之前,它必须在方法区中为每个non-final类变量分配空间。

方法区主要有以下几个特点:

1、方法区是线程安全的。由于所有的线程都共享方法区,所以,方法区里的数据访问必须被设计成线程安全的。例如,假如同时有两个线程都企图访问方法区中的同一个类,而这个类还没有被装入JVM,那么只允许一个线程去装载它,而其它线程必须等待
2、方法区的大小不必是固定的,JVM可根据应用需要动态调整。同时,方法区也不一定是连续的,方法区可以在一个堆(甚至是JVM自己的堆)中自由分配。
3、方法区也可被垃圾收集,当某个类不在被使用(不可触及)时,JVM将卸载这个类,进行垃圾收集
可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小。

对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说,很多人愿意把方法区称为“永久代”(PermanentGeneration),本质上两者并不等价,仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机(如BEA JRockit、IBM J9 等)来说是不存在永久代的概念的。相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

  1. JVM堆(Java Heap):

Java 堆也是属于线程共享的内存区域,它在虚拟机启动时创建,是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块,主要用于存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存,注意Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做GC 堆,如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError 异常。

堆的大小可以通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置,-Xms为JVM启动时申请的最小内存,默认为操作系统物理内存的1/64但小于1G,-Xmx为JVM可申请的最大内存,默认为物理内存的1/4但小于1G,默认当空余堆内存小于40%时,JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小,可通过-XX:MinHeapFreeRation=来指定这个比列;当空余堆内存大于70%时,JVM会减小heap的大小到-Xms指定的大小,可通过XX:MaxHeapFreeRation=来指定这个比列,对于运行系统,为避免在运行时频繁调整Heap的大小,通常-Xms与-Xmx的值设成一样。

如果从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法,所以Java 堆中还可以细分为:新生代和老年代;

新生代:程序新创建的对象都是从新生代分配内存,新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space(通常又称S0和S1或From和To)构成,可通过-Xmn参数来指定新生代的大小,也可以通过-XX:SurvivorRation来调整Eden Space及SurvivorSpace的大小。

老年代:用于存放经过多次新生代GC仍然存活的对象,例如缓存对象,新建的对象也有可能直接进入老年代,主要有两种情况:1、大对象,可通过启动参数设置-XX:PretenureSizeThreshold=1024(单位为字节,默认为0)来代表超过多大时就不在新生代分配,而是直接在老年代分配。2、大的数组对象,且数组中无引用外部对象。

老年代所占的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。

如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError 异常。

  1. 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks):

线程私有,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储 局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口 等信息。

动画是由一帧一帧图片连续切换结果的结果而产生的,其实虚拟机的运行和动画也类似,每个在虚拟机中运行的程序也是由许多的帧的切换产生的结果,只是这些帧里面存放的是方法的局部变量,操作数栈,动态链接,方法返回地址和一些额外的附加信息组成。每一个方法被调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。对于执行引擎来说,活动线程中,只有栈顶的栈帧是有效的,称为当前栈帧,这个栈帧所关联的方法称为当前方法。执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。

  1. 本地方法栈(Native Method Stacks):

本地方法栈(Native MethodStacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native 方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如 Sun HotSpot 虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一 。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

  1. 程序计数器(Program Counter Register):

程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间的计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java 方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Natvie 方法,这个计数器值则为空(Undefined)。

此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java内存模型

Java内存模型(Java Memory Model,简称JMM)的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样底层细节。此处的变量与Java编程时所说的变量不一样,指包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素,但是不包括局部变量与方法参数,后者是线程私有的,不会被共享。

Java内存模型中规定:

线程对变量的所有操作(读取、赋值)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量
不同线程之间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在主内存来完成

这里的主内存、工作内存与Java内存区域的Java堆、栈、方法区不是同一层次内存划分,这两者基本上是没有关系的,如果两者一不定要勉强对就起来,那从变量,主内存,工作内存的定义来看,主内存对应Java堆中的对象实例数据部分,工作内存对应于虚拟机栈中的部分区域。

重排序

在执行程序时为了提高性能,编译器和处理器经常会对指令进行重排序。重排序分成三种类型:

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义放入前提下,可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。
as-if-serial语义

as-if-serial语义的意思是,所有的操作均可以为了优化而被重排序,但是你必须要保证重排序后执行的结果不能被改变,编译器、runtime、处理器都必须遵守as-if-serial语义。注意as-if-serial只保证单线程环境,多线程环境下无效。重排序不会影响单线程环境的执行结果,但是会破坏多线程的执行语义。

原子性、可见性与有序性

原子性:一个操作或者多个操作要么全部执行要么全部不执行;

可见性:当多个线程同时访问一个共享变量时,如果其中某个线程更改了该共享变量,其他线程应该可以立刻看到这个改变;

有序性:程序的执行要按照代码的先后顺序执行;

happens-before原则

Java内存模型中定义的两项操作之间的次序关系,如果说操作A先行发生于操作B,操作A产生的影响能被操作B观察到,“影响”包含了修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

下面是Java内存模型下一些”天然的“happens-before关系,这些happens-before关系无须任何同步器协助就已经存在,可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列,并且无法从下列规则推导出来的话,它们就没有顺序性保障,虚拟机可以对它们进行随意地重排序。

a.程序次序规则(Pragram Order Rule):在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说应该是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支、循环结构。
b.管程锁定规则(Monitor Lock Rule):一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁,而”后面“是指时间上的先后顺序。
c.volatile变量规则(Volatile Variable Rule):对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读取操作,这里的”后面“同样指时间上的先后顺序。
d.线程启动规则(Thread Start Rule):Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
e.线程终于规则(Thread Termination Rule):线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束,Thread.isAlive()的返回值等作段检测到线程已经终止执行。
f.线程中断规则(Thread Interruption Rule):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,可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生。
g.对象终结规则(Finalizer Rule):一个对象初始化完成(构造方法执行完成)先行发生于它的finalize()方法的开始。
g.传递性(Transitivity):如果操作A先行发生于操作B,操作B先行发生于操作C,那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
一个操作”时间上的先发生“不代表这个操作会是”先行发生“,那如果一个操作”先行发生“是否就能推导出这个操作必定是”时间上的先发生 “呢?也是不成立的,一个典型的例子就是指令重排序。所以时间上的先后顺序与happens-before原则之间基本没有什么关系,所以衡量并发安全问题一切必须以happens-before 原则为准。

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