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《线程系列》四、JVM内存模型

我的笔记 我的笔记 发表于2020-11-25 13:04:05 浏览777 评论0

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一、概念

根据JVM规范,JVM 内存共分为虚拟机栈,堆,方法区,程序计数器,本地方法栈五个部分。

·方法区(Method Area)

方法区属于线程共享的内存区域,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,根据Java 虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError 异常。值得注意的是在方法区中存在一个叫运行时常量池(Runtime Constant Pool)的区域,它主要用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用,这些内容将在类加载后存放到运行时常量池中,以便后续使用。

·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。

·程序计数器(Program Counter Register)

属于线程私有的数据区域,是一小块内存空间,主要代表当前线程所执行的字节码行号指示器。字节码解释器工作时,通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,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。

·虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

属于线程私有的数据区域,与线程同时创建,总数与线程关联,代表Java方法执行的内存模型。每个方法执行时都会创建一个栈桢来存储方法的的变量表、操作数栈、动态链接方法、返回值、返回地址等信息。每个方法从调用直结束就对于一个栈桢在虚拟机栈中的入栈和出栈过程。

·本地方法栈(Native Method Stacks)

本地方法栈属于线程私有的数据区域,这部分主要与虚拟机用到的 Native 方法相关,一般情况下,我们无需关心此区域。

二、主内存和工作内存

Java内存模型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内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中,每条线程还有自己的工作内存(可以与前面讲的处理器的高速缓存类比),线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝,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,线程、主内存和工作内存的交互关系如下图所示,和上图很类似。

无标题.png

注意: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,这两者基本上没有关系。

三、内存交互操作

由上面的交互关系可知,关于主内存与工作内存之间的具体交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节,Java内存模型定义了以下八种操作来完成:

  • lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占状态。

  • unlock(解锁):作用于主内存变量,把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定。

  • read(读取):作用于主内存变量,把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用

  • load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

  • use(使用):作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

  • assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。

  • store(存储):作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write的操作。

  • write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

四、JVM内存交互操作的限制:

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现

  • 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作,即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。

  • 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从工作内存同步回主内存中。

  • 一个新的变量只能在主内存中诞生,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前,必须先执行过了assign和load操作。

  • 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,lock和unlock必须成对出现

  • 如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值

  • 如果一个变量事先没有被lock操作锁定,则不允许对它执行unlock操作;也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

  • 对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步到主内存中(执行store和write操作)。

这8种内存访问操作很繁琐,后文会使用一个等效判断原则,即先行发生(happens-before)原则来确定一个内存访问在并发环境下是否安全。

五、代码

为什么以下代码未打印分割线:

package com.fyd;

public class JVMMOdelTest {
    public static void main(String[] args) {
        JVMModel jvmModel=new JVMModel();
        new Thread(jvmModel).start();
        while (true){
            if(jvmModel.isFlag()){
                System.out.println("------");
                break;
            }
        }
    }
}
class JVMModel implements Runnable{
    private boolean flag= false;
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        flag=true;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+flag);
    }

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }
}

微信图片_20201125130113.png




原因:我得猜测是如果main线程和Thread-0线程在同时复制到各自的工作内存时,由于这个变量不可见,那么线程Thread-0在改变变量后,main的工作内存无法得知新值,就会导致这个问题。



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