深入理解JVM 系列JVM运行机制 JVM内存模（volatile，指令重排）

为了 接下去 更好理解 JAVA 并发，多线程 JUC 包的原理 特此写下前置学习文章 深入学习 java 虚拟机

本文目录

• JVM启动流程

• JVM基本结构

• 内存模型

• 编译和解释运行的概念

一、java 程序 启动流程

启动流程

java 命令开始

寻找 配置文件 定位需要的 .dll

.ddl 初始化 JVM 虚拟机

获得 native 接口

找到main 方法运行

二、JVM结构(运行时数据区)

JVM结构(运行时数据区)

二.一、线程私有的区域

1.程序计数器（PC寄存器）

• 记录正在执行的字节码地址，可辨别当前字节码解析到了什么位置，引导字节码解析顺序，并控制程序的流程。（当前程序执行到哪然后下一步该执行什么操作。）

  • 执行java 方法的时候世纪路字节码的地址，执行Native方法这个计数器为空（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。

• 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。

2.栈（VM Stack）

• 栈由一系列帧组成（因此Java栈也叫做帧栈）

• 线程私有------->方法执行时候的内存模型

  • 每个方法执行都会创建一个栈帧 用于存储局部变量表（基本数据类型和对象引用），操作数栈，动态链表，方法出口等信息，值得一提的是long，double长度为64为会占据两个局部变量空间其余为一个。

    局部变量表所需内存实在编译器完成分配的，方法在帧中所需的分配多大的局部变量空间是完全确定的，方法运行不会改变局部变量表大小。

• 当栈调用深度大于JVM所允许的范围，会抛出StackOverflowError的错误，不过这个深度范围不是一个恒定的值。

• 栈上分配

• 小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸的情况下，可以直接分配在栈上

• 直接分配在栈上，可以自动回收，减轻GC压力

• 大对象或者逃逸对象无法栈上分配

每个线程包含一个栈区，栈中只保存基础数据类型和自定义对象的引用(不是对象)，对象都存放在堆区中

每个栈中的数据(原始类型和对象引用)都是私有的，其他栈不能访问。

栈分为3个部分：基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。

3.本地方法栈（Native Method Stack）

• 和虚拟机栈所发挥的效果非常相似， 区别在于 是为执行Native 方法 所服务的，HotSpot 直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一

-二.二、线程共享区域

Method Area（方法区） 方法区是堆的逻辑部分。

(这个只是JVM 中的 一个规范设计 每个厂商可能实现不同 本文会尽可能的 使用JDK1.8 的HotSpot 作为讲解)

在 HotSpot中 我们有了新的东西 就是 Metaspace（元空间） 是对 JVM规范中方法区的实现

元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过设置参数来指定元空间的大小。所有线程共享的。

• 保存装置的类信息

  • 类的常量池（）

  • 类的字段，方法信息

  • 方法字节码

• 永久区---> （java 8 HotSpot 中已经废除）

  • 因为容易出现永久代的内存溢出

JAVA 堆 （Heap ）全局共享

• 程序开发程序最为密切

• 目的就是存放对象实例

• 根据垃圾回收算法 分为（Minor GC、Full GC）

  • 新生代（Eden ，Survivor from ，Survivor To ）

  • 老年代

  • GC的主要工作区间

  • 所有线程共享Java堆

直接内存

• 1.4 中加入NIO 后 基于通道（channel） 与缓存 （Buffer） 使用Native 函数 操作内存 通过一个存储在java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存引用这样能显著提升性能 避免java堆 与Native 堆 来回复制数据

三、java 的内存模型

• 每一个线程有一个工作内存和主存独立

• 工作内存存放主存中变量的值的拷贝

对于普通变量，一个线程中更新的值，不能马上反应在其他变量中 如果需要在其他线程中立即可见，需要使用 volatile 关键字

3.1、多线程操作变量模型

3.2、关键字volatile

• 保证内存可见性

• 防止指令重拍（有序性）

• volatile保证操作原子性

volatile 不能代替锁

一般认为volatile 比锁性能好（不绝对）

选择使用volatile的条件是：

语义是否满足应用

因为多线程操作和volatile两个意思

关键字volatile 效果

synchronized （unlock之前，写变量值回主存）

final(一旦初始化完成，其他线程就可见)

3.3 指令重拍

指令重拍就是编译器按照理解的优化代码

可能会不按照代码顺序来 不会进行对象依赖的重拍

会重拍对象之间不依赖的进行重拍

最后 保证 整个线程的语义不发生改变

• 线程内串行语义

• 编译器不考虑多线程间的语义

  可重排： a=1;b=2;

例子 -----> 正确方法多线程 指令重拍的错 synchronized 锁住对象

3.3.1 指令重排的基本原则

• 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性

• volatile规则：volatile变量的写，先发生于读

• 锁规则：解锁(unlock)必然发生在随后的加锁(lock)前

• 传递性：A先于B，B先于C 那么A必然先于C

• 线程的start方法先于它的每一个动作

• 线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）

• 线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码

• 对象的构造函数执行结束先于finalize()方法

编译运行（JIT）

• 将字节码编译成机器码

• 直接执行机器码

• 运行时编译

• 编译后性能有数量级的提升

学习过程中遇到什么问题或者想获取学习资源的话，欢迎加入Java学习交流群346942462，我们一起学Java！