文章目錄

• • Java內(nèi)存模型介紹
  • • 總覽圖
    • • Java內(nèi)存模型圖
      • 線程、主內(nèi)存、工作內(nèi)存關(guān)系圖
      • CPU緩存架構(gòu)圖
      • Java內(nèi)存模型與硬件內(nèi)存架構(gòu)的關(guān)系
    • 什么是Java內(nèi)存模型
    • Java內(nèi)存模型的意義
    • Java內(nèi)存模型規(guī)范
  • Java內(nèi)存模型的主要結(jié)構(gòu)
  • • 1、程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）
    • 2、Java 虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）
    • • 棧幀（Stack Frame）
    • 3、本地方法棧（Native Method Stacks）
    • 4、堆（Heap）
    • 4、方法區(qū)（Method Area）
    • • 運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）
    • 5、直接內(nèi)存（Direct Memory）
  • JMM與八大原子操作
  • Java內(nèi)存的訪問(wèn)方式
  • Java內(nèi)存加載和使用對(duì)象
  • Java內(nèi)存垃圾回收
  • 字節(jié)碼執(zhí)行引擎

Java內(nèi)存模型介紹

總覽圖

Java內(nèi)存模型圖

線程、主內(nèi)存、工作內(nèi)存關(guān)系圖

CPU緩存架構(gòu)圖

Java內(nèi)存模型與硬件內(nèi)存架構(gòu)的關(guān)系

什么是Java內(nèi)存模型

所謂內(nèi)存模型就是對(duì)特定的內(nèi)存或者高速緩存進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)的過(guò)程抽象描述和約定，不同架構(gòu)下的物理機(jī)或者操作系統(tǒng)擁有不一樣的內(nèi)存模型，而Java虛擬機(jī)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的虛擬系統(tǒng)。

首先它不是對(duì)物理內(nèi)存的規(guī)范，而是在Java虛擬機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行的規(guī)范從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)一致性，以達(dá)到Java程序能夠**“一次編譯，到處運(yùn)行”**的目標(biāo)。

Java內(nèi)存模型的意義

在多核系統(tǒng)中，處理器一般有一層或者多層的緩存，這些的緩存通過(guò)加速數(shù)據(jù)訪問(wèn)（因?yàn)閿?shù)據(jù)距離處理器更近）和降低共享內(nèi)存在總線上的通訊（因?yàn)楸镜鼐彺婺軌驖M足許多內(nèi)存操作）來(lái)提高CPU性能。緩存能夠大大提升性能，但是它們也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。每個(gè)處理器的緩存都是私有的，而它們又共享同一內(nèi)存，當(dāng)有多個(gè)處理器的操作涉及同一塊內(nèi)存區(qū)域的時(shí)候，他們的緩存可能會(huì)因?yàn)檫\(yùn)算而導(dǎo)致不一致，在這種情況下，同步回內(nèi)存的數(shù)據(jù)以誰(shuí)的為準(zhǔn)呢？這就是緩存一致性問(wèn)題。

編譯器在編譯的時(shí)候，允許重排序指令以優(yōu)化運(yùn)行速度。CPU在執(zhí)行指令的時(shí)候，為了使處理器內(nèi)部運(yùn)算單元能被充分利用，也可以對(duì)指令進(jìn)行亂序執(zhí)行。

在編譯器和CPU進(jìn)行重排序的時(shí)候，要遵循“as-if-serial”原則，也就是要保證程序單線程執(zhí)行的時(shí)候，重排序之后程序的運(yùn)行結(jié)果必須和重排序前程序的運(yùn)行結(jié)果一致。這里注意“as-if-serial”原則只保證單線程的執(zhí)行結(jié)果不變，不保證多線程執(zhí)行的結(jié)果不變。那么如何保證多線程程序的正確運(yùn)行？顯然需要某種協(xié)議來(lái)限定多線程執(zhí)行時(shí)要滿足的規(guī)則。

為了解決緩存一致性和cpu指令重排序的問(wèn)題，同時(shí)屏蔽不同機(jī)器下CPU架構(gòu)不一致的問(wèn)題,于是java就定義了一種協(xié)議，這個(gè)協(xié)議就是Java內(nèi)存模型(JMM)。

Java內(nèi)存模型規(guī)范

在java中，所有實(shí)例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享。局部變量（Local variables），方法定義參數(shù)（java語(yǔ)言規(guī)范稱(chēng)之為formal method parameters）和異常處理器參數(shù)（exception handler parameters）不會(huì)在線程之間共享，它們不會(huì)有內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，也不受內(nèi)存模型的影響。

官方提供的關(guān)于Java內(nèi)存模型和線程規(guī)范是JSR-133規(guī)范，由JSR-133專(zhuān)家組開(kāi)發(fā)。

JSR-133中文版下載

JMM規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存（Main Memory）中。每個(gè)線程還有自己的工作內(nèi)存（Working Memory）,線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量的主內(nèi)存的副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作（讀取、賦值等）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量（volatile變量仍然有工作內(nèi)存的拷貝，但是由于它特殊的操作順序性規(guī)定，所以看起來(lái)如同直接在主內(nèi)存中讀寫(xiě)訪問(wèn)一般）。不同的線程之間也無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程之間值的傳遞都需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成。

需要注意的是java內(nèi)存模型僅僅是定義了一個(gè)規(guī)范，不同的JVM它的實(shí)現(xiàn)可能不盡相同，本文所介紹的以Hotspot虛擬機(jī)（它是Sun JDK和OpenJDK中所帶的虛擬機(jī)，也是目前使用范圍最廣的Java虛擬機(jī)）為準(zhǔn)。

Java內(nèi)存模型的主要結(jié)構(gòu)

java虛擬機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為四大塊：類(lèi)加載子系統(tǒng)、垃圾回收器、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、字節(jié)碼加載子系統(tǒng)。

關(guān)于類(lèi)加載子系統(tǒng)的原理可以參考這篇：Java對(duì)象的生命周期

Java 虛擬機(jī)在執(zhí)行 Java 程序的過(guò)程中會(huì)把它管理的內(nèi)存劃分成若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，這便是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的結(jié)構(gòu)，也可以看作為java內(nèi)存模型的主要結(jié)構(gòu)，其中又分為線程共享區(qū)和線程私有區(qū)。

• 線程私有

  • 程序計(jì)數(shù)器
  • 虛擬機(jī)棧
  • 本地方法棧

• 線程共享

  • 堆
  • 元空間（以前叫方法區(qū)）

  如下圖所示：
  

1、程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）

? 首先程序計(jì)數(shù)器是線程私有的，同時(shí)也是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(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（對(duì)于多核處理器來(lái)說(shuō)是一個(gè)內(nèi)核）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，各條線程之間的計(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，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie 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。

總結(jié)主要有兩個(gè)作用：

• 字節(jié)碼解釋器通過(guò)改變程序計(jì)數(shù)器依次讀取指令，實(shí)現(xiàn)代碼的流程控制，如：順序執(zhí)行、選擇、循環(huán)、異常處理
• 多線程情況下，程序計(jì)數(shù)器用于記錄當(dāng)前線程執(zhí)行的位置，從而當(dāng)線程被切換回來(lái)的時(shí)候能夠知道該線程上次運(yùn)行到哪了

2、Java 虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）

? 與程序計(jì)數(shù)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。虛擬機(jī)棧描述的是Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame）用于存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法被調(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。

? 局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對(duì)象引用（reference 類(lèi)型，它不等同于對(duì)象本身，根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，它可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?#xff0c;也可能指向一個(gè)代表對(duì)象的句柄或者其他與此對(duì)象相關(guān)的位置）和returnAddress 類(lèi)型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。其中64 位長(zhǎng)度的long 和double 類(lèi)型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2 個(gè)局部變量空間（Slot），其余的數(shù)據(jù)類(lèi)型只占用1 個(gè)。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。

? 在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：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；當(dāng)前大部分的Java 虛擬機(jī)都可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過(guò)Java 虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長(zhǎng)度的虛擬機(jī)棧，當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。

棧幀（Stack Frame）

• 棧幀是方法運(yùn)行的基本結(jié)構(gòu)，一個(gè)棧幀即對(duì)應(yīng)一個(gè)方法。

• 正在執(zhí)行的方法稱(chēng)為當(dāng)前活動(dòng)棧幀

• 在執(zhí)行引擎運(yùn)行時(shí)，所有指令都只能針對(duì)當(dāng)前活動(dòng)棧幀操作

• 壓棧過(guò)多會(huì)產(chǎn)生StackOverflowError異常，表示請(qǐng)求的棧溢出，導(dǎo)致線程可用內(nèi)存耗盡，通常出現(xiàn)于遞歸方法深度過(guò)大或者死遞歸情況，默認(rèn)分配的內(nèi)存大小為1M，可以使用-Xss 參數(shù)配置棧空間大小。

• 虛擬機(jī)棧通過(guò)壓/出棧，對(duì)每個(gè)方法對(duì)應(yīng)的活動(dòng)棧幀進(jìn)行運(yùn)算處理，方法正常執(zhí)行結(jié)束，則跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)棧幀上。

• 在執(zhí)行的過(guò)程中，如果出現(xiàn)異常，會(huì)進(jìn)行異常回溯，返回地址通過(guò)異常處理表確定。

關(guān)于棧幀的詳細(xì)原理請(qǐng)參考Java代碼的執(zhí)行原理

3、本地方法棧（Native Method Stacks）

? 本地方法棧與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過(guò)是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java 方法（也就是字節(jié)碼）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)。虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語(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)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)（譬如Sun HotSpot 虛擬機(jī)）直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。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。

4、堆（Heap）

? Java 堆通常是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)時(shí)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)例都在這里分配內(nèi)存。這一點(diǎn)在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中的描述是：所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配，但是隨著JIT 編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對(duì)象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對(duì)”了。

? 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)做“GC 堆”（Garbage Collected Heap）。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；再細(xì)致一點(diǎn)的有Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。如果從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的Java 堆中可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不過(guò)，無(wú)論如何劃分，都不會(huì)改變存放內(nèi)容，進(jìn)一步劃分的目的是為了更好更快地分配和回收內(nèi)存。

? 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)-Xmx和-Xms 配置參數(shù)控制）。如果在堆中沒(méi)有完成實(shí)例分配內(nèi)存，并且堆也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。

4、方法區(qū)（Method Area）

? 方法區(qū)也叫永久代(Permanent Generation Space)，在JDK8以后，又被稱(chēng)為元空間（Metaspace)。

? 方法區(qū)與Java 堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然Java 虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做Non-Heap（非堆），目的應(yīng)該是與Java 堆區(qū)分開(kāi)來(lái)。對(duì)于習(xí)慣在HotSpot 虛擬機(jī)上開(kāi)發(fā)和部署程序的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，很多人愿意把方法區(qū)稱(chēng)為“永久代”（Permanent Generation），本質(zhì)上兩者并不等價(jià)，僅僅是因?yàn)镠otSpot 虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇把GC 分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)，或者說(shuō)使用永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū)而已。對(duì)于其他虛擬機(jī)（如BEA JRockit、IBM J9 等）來(lái)說(shuō)是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot 虛擬機(jī)本身，在JDK8以后，已經(jīng)放棄永久代并“搬家”至Native Memory 來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū)的規(guī)劃了。

? Java 虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)這個(gè)區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java 堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對(duì)而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類(lèi)型的卸載，一般來(lái)說(shuō)這個(gè)區(qū)域的回收“成績(jī)”比較難以令人滿意，尤其是類(lèi)型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實(shí)是有必要的。

? 在Sun 公司的BUG 列表中，曾出現(xiàn)過(guò)的若干個(gè)嚴(yán)重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虛擬機(jī)對(duì)此區(qū)域未完全回收而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError 異常。

堆大小配置不會(huì)影響元空間大小，因?yàn)镸etaspace是一個(gè)堆外數(shù)據(jù)區(qū)。為了限制Metaspace大小，我們可以使用以下方式配置：

• -XX：MetaspaceSize和-XX：MaxMetaspaceSize設(shè)置最小和最大元空間大小
• 在Java 8之前，-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize設(shè)置最小和最大PermGen大小

運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）

運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯期間生成的各種字面常量和符號(hào)引用。

**JDK1.7及之后版本的 JVM 已經(jīng)將運(yùn)行時(shí)常量池從方法區(qū)中移了出來(lái)，在 Java 堆（Heap）中開(kāi)辟了一塊區(qū)域存放運(yùn)行時(shí)常量池。**所以，準(zhǔn)確來(lái)講，運(yùn)行時(shí)常量池又只能說(shuō)邏輯上是屬于方法區(qū)的。

? Class 文件中除了有類(lèi)的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，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)加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。Java 虛擬機(jī)對(duì)Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴(yán)格的規(guī)定，每一個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會(huì)被虛擬機(jī)認(rèn)可、裝載和執(zhí)行。但對(duì)于運(yùn)行時(shí)常量池，Java 虛擬機(jī)規(guī)范沒(méi)有做任何細(xì)節(jié)的要求，不同的提供商實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)可以按照自己的需要來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)內(nèi)存區(qū)域。不過(guò)，除了保存Class 文件中描述的符號(hào)引用外，還會(huì)把翻譯出來(lái)的直接引用也存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)常量池中。

? 運(yùn)行時(shí)常量池相對(duì)于Class 文件常量池的另外一個(gè)重要特征是具備動(dòng)態(tài)性，Java 語(yǔ)言并不要求常量一定只能在編譯期產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入Class 文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開(kāi)發(fā)人員利用得比較多的便是String 類(lèi)的intern() 方法。

? 既然運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，自然會(huì)受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法再?gòu)姆椒▍^(qū)（元空間）申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。

5、直接內(nèi)存（Direct Memory）

? 直接內(nèi)存(也就是本地內(nèi)存)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，但是要使用Java內(nèi)存模型則必須和直接內(nèi)存打交道，同時(shí)這部分內(nèi)存也被頻繁地使用，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 方式，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 堆里面的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)。顯然，本機(jī)直接內(nèi)存的分配不會(huì)受到Java 堆大小的限制，但是，既然是內(nèi)存，則肯定還是會(huì)受到本機(jī)總內(nèi)存（包括RAM 及SWAP 區(qū)或者分頁(yè)文件）的大小及處理器尋址空間的限制。

? 我們可以使用 -XX:MaxDirectMemorySize 設(shè)置最大直接內(nèi)存。服務(wù)器管理員配置虛擬機(jī)參數(shù)時(shí)，一般會(huì)根據(jù)實(shí)際內(nèi)存設(shè)置-Xmx等參數(shù)信息，但經(jīng)常會(huì)忽略掉直接內(nèi)存，使得各個(gè)內(nèi)存區(qū)域的總和大于物理內(nèi)存限制（包括物理上的和操作系統(tǒng)級(jí)的限制），從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)OutOfMemoryError異常。

JMM與八大原子操作

關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交互協(xié)議，即一個(gè)變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存、如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存這一類(lèi)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，Java內(nèi)存模型中定義了以下8種操作來(lái)完成。Java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)必須保證下面提及的每一種操作都是原子的、不可再分的（對(duì)于double和long類(lèi)型的變量來(lái)說(shuō)，load、store、read和write操作在某些平臺(tái)上允許有例外）。

八大原子操作：

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占的狀態(tài)。
• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read（讀取）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動(dòng)作使用。
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作。
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作。
• store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write操作使用。
• write（寫(xiě)入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。
  如果要把一個(gè)變量從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存，那就要按順序執(zhí)行read和load操作，如果要把變量從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存，就要按順序執(zhí)行store和write操作。注意，Java內(nèi)存模型只要求上述兩個(gè)操作必須按順序執(zhí)行，但不要求是連續(xù)執(zhí)行。也就是說(shuō)read與load之間、store與write之間是可插入其他指令的，如對(duì)主內(nèi)存中的變量a、b進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，一種可能出現(xiàn)的順序是read a、read b、load b、load a。

同時(shí)Java內(nèi)存模型還規(guī)定了在執(zhí)行上述八種原子操作時(shí)必須滿足如下規(guī)則：

• 不允許read和load、store和write操作之一單獨(dú)出現(xiàn)，即不允許一個(gè)變量從主內(nèi)存讀取了但工作內(nèi)存不接受，或者工作內(nèi)存發(fā)起回寫(xiě)了但主內(nèi)存不接受的情況出現(xiàn)。
• 不允許一個(gè)線程丟棄它最近的assign操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須把該變化同步回主內(nèi)存。
• 不允許一個(gè)線程無(wú)原因地（沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何assign操作）把數(shù)據(jù)從線程的工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。
• 一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中“誕生”，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化（load或assign）的變量，換句話說(shuō)就是對(duì)一個(gè)變量實(shí)施use、store操作之前，必須先執(zhí)行assign和load操作。
• 一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，但lock操作可以被同一條線程重復(fù)執(zhí)行多次，多次執(zhí)行l(wèi)ock后，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作，變量才會(huì)被解鎖。
• 如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，那將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作以初始化變量的值。
• 如果一個(gè)變量事先沒(méi)有被lock操作鎖定，那就不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作，也不允許去unlock一個(gè)被其他線程鎖定的變量。
• 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中（執(zhí)行store、write操作）。

由Java內(nèi)存模型來(lái)直接保證的原子性變量操作包括read、load、assign、use、store和write這六個(gè)，我們大致可以認(rèn)為，基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的訪問(wèn)、讀寫(xiě)都是具備原子性的（例外就是long和double的非原子性協(xié)定）

Java內(nèi)存的訪問(wèn)方式

邏輯內(nèi)存模型我們已經(jīng)看到了，那當(dāng)我們建立一個(gè)對(duì)象的時(shí)候是怎么進(jìn)行訪問(wèn)的呢？

在Java 語(yǔ)言中，對(duì)象訪問(wèn)是如何進(jìn)行的？對(duì)象訪問(wèn)在Java 語(yǔ)言中無(wú)處不在，是最普通的程序行為，但即使是最簡(jiǎn)單的訪問(wèn)，也會(huì)卻涉及Java 棧、Java 堆、方法區(qū)這三個(gè)最重要內(nèi)存區(qū)域之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如下面的這句代碼：

Object obj = new Object();

假設(shè)這句代碼出現(xiàn)在方法體中，那“Object obj”這部分的語(yǔ)義將會(huì)反映到Java 棧的本地變量表中，作為一個(gè)reference 類(lèi)型數(shù)據(jù)出現(xiàn)。而“new Object()”這部分的語(yǔ)義將會(huì)反映到Java 堆中，形成一塊存儲(chǔ)了Object 類(lèi)型所有實(shí)例數(shù)據(jù)值（Instance Data，對(duì)象中各個(gè)實(shí)例字段的數(shù)據(jù)）的結(jié)構(gòu)化內(nèi)存，根據(jù)具體類(lèi)型以及虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的對(duì)象內(nèi)存布局（Object Memory Layout）的不同，這塊內(nèi)存的長(zhǎng)度是不固定的。另外，在Java 堆中還必須包含能查找到此對(duì)象類(lèi)型數(shù)據(jù)（如對(duì)象類(lèi)型、父類(lèi)、實(shí)現(xiàn)的接口、方法等）的地址信息，這些類(lèi)型數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)在方法區(qū)中。

由于reference 類(lèi)型在Java 虛擬機(jī)規(guī)范里面只規(guī)定了一個(gè)指向?qū)ο蟮囊?#xff0c;并沒(méi)有定義這個(gè)引用應(yīng)該通過(guò)哪種方式去定位，以及訪問(wèn)到Java 堆中的對(duì)象的具體位置，因此不同虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的對(duì)象訪問(wèn)方式會(huì)有所不同，主流的訪問(wèn)方式有以下兩種：

• 句柄：使用句柄訪問(wèn)方式，Java 堆中將會(huì)劃分出一塊內(nèi)存來(lái)作為句柄池，reference中存儲(chǔ)的就是對(duì)象的句柄地址，而句柄中包含了對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)和類(lèi)型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息。

• 直接指針：使用直接指針的方式，引用中存儲(chǔ)的就是對(duì)象的地址。這也是Hotspot虛擬機(jī)采用的方式。

Java內(nèi)存加載和使用對(duì)象

請(qǐng)參考Java對(duì)象的生命周期

Java內(nèi)存垃圾回收

請(qǐng)參考JVM垃圾回收機(jī)制深入解析

字節(jié)碼執(zhí)行引擎

請(qǐng)參考Java代碼的執(zhí)行原理

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一文看懂Java内存模型（JMM）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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