Java内存模型与Jvm内存模型

经典问题

Q：说一下 Java（Jvm）的内存模型
A：Java内存模型是Jvm内存模型的抽象（深入理解JAVA虚拟机）

JVM内存模型
- 线程安全--虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器
- 非线程安全--方法区、堆（新生代，老年代）、
  Meta Space（Jdk 1.8新增）
Java内存模型
- 工作内存、主内存（对应JVM内存中的一部分）

追根溯源

Jvm内存模型

Java虚拟机运行时数据区

程序计数器：一块较小的内存空间，当前线程所执行的字节码行号指示器。

虚拟机栈：线程私有，生命周期与线程相同。每个方法执行，虚拟机都会创建一个栈帧，储存局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用到执行完毕，就对应着一个栈帧的入栈和出栈。

本地方法栈：与虚拟机栈的作用非常类似，不同的是虚拟机栈为java方法服务，本地方法栈为本地方法（Native）服务。

堆：虚拟机管理的内存里最大的一块，被所有线程共享，在虚拟机启动的时候创建。堆唯一的目的就是存放对象实例，Java中几乎所有的对象实例都在堆分配内存。

方法区：用于存储已经被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

运行时常量池：方法区中的部分区域，Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

Java内存模型（JMM）

定义：是一种规范，规定了JVM如何使用计算机内存。同时，JMM向开发者保证，如果程序是正确同步的，程序的执行将具有顺序一致性（顺序一致性内存模型）

目标：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主内存中取出变量这样的底层细节（此处变量与Java编程中的变量有区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，不包括局部变量与方法参数，后者是线程私有）。

JMM模型图

主内存：规定所有的变量都存储到主内存中（可类比物理硬件的主内存，但此处只是虚拟机内存的一部分）

工作内存：每条线程所有（可类比处理器高速缓存），线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，不能直接读写内存中的变量。不同线程之间无法访问对方工作内存中的变量。

Jvm内存模型与Java内存模型关系

基本上没有关系，如果两者一定要勉强对应起来，那主内存对应Java堆中的对象实例数据部分，工作内存对应虚拟机栈中的部分区域。

为什么这么说，来了解一下内存模型

我们知道，一个程序的运行，不可能只靠“计算”就能完成，处理器至少要与内存进行交互，如读取运算数据，存储运算结果等，这个I/O很难避免。由于存储设备与处理器运算速度有几个数量级的差距，所以现代操作系统不得不引入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速执行，运算结束后，再从缓存同步到内存中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。存储结构如图

操作系统存储结构

基于高速缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存的速度矛盾，但也引入了新的问题：缓存一致性。

当有多个处理器系统中，每个处理器都有自己的高速内存，而他们又共享同一主内存。

当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存时，将导致个子的缓存数据不一致，如果真发生这种情况，那最终结果以谁为准呢？

为解决该问题，各个处理器访问缓存时都需要遵守一些协议，读写时要根据协议来（MSI、MESI等）。

基于此，我们常说的内存模型，即在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。

Java内存模型（JMM）:用来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果（类比操作系统中寄存器、高速缓存的一些处理机制）。

Jvm内存模型：更多的是描述Java程序运行时的各个运行区域（类比操作系统中的内存管理模块），更多的用来将Java运行时使用的内存划分清楚，便于后续管理。

两者所解决的主要矛盾不一致，所以基本是无区别。

注：笔者一直认为，Java虚拟机是一个小型的操作系统，操作系统中需要注意的问题，Java虚拟机中都有涉及到，解决问题的相关方案与涉及模型，与操作系统中的相关模块实现也都很类似，学习Java虚拟机时，完全可以类比操作系统来学习。

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