jmm和jvm内存模型

原创admin 分类：热门问答 2024-05-23 20:42:57 0

jmm和jvm内存模型
JMM（Java Memory Model）和JVM（Java Virtual Machine）的内存模型是两个不同的概念，但它们在Java程序的运行中密切相关。

JMM是一种抽象的概念，它定义了Java程序中的变量、线程如何与主存以及工作内存进行交互的规则。JMM主要涉及到多线程环境下的共享变量可见性问题，确保在不同的编译器和处理器平台上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种，这里的主内存和工作内存与JVM内存划分（堆、栈、方法区）是在不同的层次上进行的。

JVM是一个虚拟机，它实现了JMM的规范，提供了一套完整的运行时环境。JVM的内存模型包括五个主要的运行时数据区：堆（Heap）、方法区（Method Area）、虚拟机栈（JVM Stack）、本地方法栈（Native Method Stack）和程序计数器（Program Counter Register）。其中，堆是所有线程共享的一块内存区域，几乎所有的对象实例都要在堆上分配内存。方法区虽然也被描述为堆的一个逻辑部分，但为了和堆区分开来，它也被称为Non-Heap（非堆）。

总结来说，JMM是关于Java内存操作的一组规范，而JVM是实现这些规范的虚拟机。JMM定义了多线程环境下变量可见性的规则，而JVM则提供了具体的内存管理机制，包括内存区域的划分和内存操作的实现。两者共同保证了Java程序在不同硬件和操作系统平台上的正确性和一致性。

Java内存模型（JMM）的具体实现机制是什么？

Java内存模型（JMM）的具体实现机制主要依赖于主内存作为传递媒介，通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现。这种方式确保了多线程环境下共享变量的数据一致性和可见性。JMM把内存分成了线程栈区和堆区，每个线程都拥有自己的线程栈，而堆区是被各个线程共享的内存区域，存放了对象实例及其他数据。JMM的目标是定义程序中各个变量的访问规则，即如何将变量存储到内存和从内存中读取数据，这与Java运行时数据区不同。

此外，JMM采用的是共享内存的并发模型，其中线程之间通过写-读内存来共享程序的公共状态，以实现多线程并发执行时指令重排序优化的环境中程序能如预期运行。JVM内部的内存分配机制，如jdk8默认使用的TLAB方式，也是JMM实现的一部分，它允许每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，从而进一步细化了内存管理和优化。

JVM如何处理多线程环境下的共享变量可见性问题？

在多线程环境下，JVM处理共享变量可见性问题主要依赖于Java内存模型（JMM）和volatile关键字。JMM定义了线程之间的通信规则，确保一个线程对共享变量的写入何时对其他线程可见。具体来说，JMM规定了线程间的通讯都是通过主内存来进行，每个线程都有一个私有的本地内存，但共享变量存储在主内存中，这样就能保证线程间的数据一致性和可见性。

为了进一步保证变量的可见性，Java提供了volatile关键字。当一个变量被volatile修饰后，它表示线程本地内存无效，即当一个线程修改了这个变量后，其值会立即被更新到主内存中，从而使得其他线程能够立即看到这个更新的值。这是一种轻量级的同步机制，相比于synchronized块来说，volatile关键字提供了一种更为简单和高效的方式来保证变量的可见性。

总结来说，JVM通过JMM定义了线程间的通信规则，确保了共享变量的可见性。

堆、栈、方法区在JVM内存模型中各自承担什么角色，它们之间的关系是怎样的？

在JVM内存模型中，堆、栈和方法区各自承担着不同的角色，并且它们之间存在着紧密的关系。

堆（Heap）是JVM中最大的一块内存区域，主要用于存放对象实例和数组。所有的对象实例和数组都直接分配于堆上。堆内存的大小可以动态调整，但它是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为“GC堆”。堆内存的分配和回收对性能有很大影响。

栈（Stack）是线程使用的一种后进先出（LIFO）的数据结构，它主要用于存储局部变量表、操作数栈等信息。每当一个方法被调用时，就会创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储该方法的执行过程中的各种信息，如局部变量、参数值、动态链接、方法出口等。栈帧随着方法的调用而创建，方法执行完成后栈帧就销毁。因此，栈是一个非常重要的运行时数据区，它支持虚拟机进行方法调用和方法执行。

方法区（Method Area）与堆一样，是各个线程共享的内存区域。它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缓存等数据。方法区在JVM启动的时候被创建，其大小可以选择固定大小或者可扩展大小。方法区的设计目的是为了优化Java程序的运行效率，减少垃圾收集器的工作负载。

堆、栈和方法区在JVM内存模型中各自承担着不同的角色：堆用于存放对象实例和数组，栈用于支持方法的调用和执行，而方法区用于存储类信息和其他重要数据。

如何通过编译器和处理器重排序来保证Java程序的内存可见性？

在Java程序中，保证内存可见性主要依赖于编译器和处理器的重排序机制。通过理解和应用这些机制，可以有效地解决由于缓存和编译优化导致的内存可见性问题。

需要了解指令重排序的存在意义。JVM能够根据处理器的特性（如CPU的多级缓存系统、多核处理器等）适当地重新排序机器指令，以使机器指令更符合CPU的执行特点，从而最大限度地发挥机器性能。这种重排序包括编译器优化重排和指令级并行重排。

为了解决内存可见性问题，Java内存模型提供了一些关键字和规则，如volatile、synchronized和final，以及六项Happens-Before规则，这些都是为了按需禁用缓存和编译优化，从而保证程序的正确性和性能。例如，volatile关键字可以防止变量被编译器或处理器重排序，而synchronized关键字则可以确保同一时刻只有一个线程访问同步代码块，保证了内存状态的一致性。

此外，内存屏障（Memory Barrier）也是一种重要的机制，它是一种CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器会根据内存屏障来调整指令的执行顺序，以保证内存可见性。

为了避免指令重排序导致的线程安全问题，Java语言定义了一系列happens-before规则来限制编译器、处理器和内存系统对指令进行重排序。这些规则帮助开发者理解在何种情况下某个操作之前的所有操作都能被看到，从而在编程时做出合理的假设。

JVM的哪些特性支持Java程序在不同硬件和操作系统平台上的正确运行？

JVM的特性支持Java程序在不同硬件和操作系统平台上的正确运行主要体现在以下几个方面：

虚拟机规范：JVM遵循一定的规范，这使得开发者可以编写具有良好跨平台兼容性的Java代码。通过阅读JVM规范，开发者能够了解到不同平台上JVM的实现细节和差异，从而编写出能够在各种平台上运行的Java程序。
内存模型：JVM的整体架构包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器等部分。这种内存模型的设计，使得Java语言具有跨平台特性，因为这些组件的管理和使用方式在不同的操作系统和硬件平台上是相似的。
中间语言的实时翻译：Java源代码首先被编译成一种中间语言，然后在运行时由JVM将这种中间语言实时翻译成与特定平台匹配的机器指令并执行。这种机制保证了Java程序能够在任何支持JVM的平台上运行，而无需对代码进行修改。
兼容性措施：JVM采取了一系列措施来解决平台差异性问题，确保Java程序的兼容性。这包括基于自行定义的虚拟执行环境，以及对JVM虚拟机规范的准守，使得不同版本的Java和JVM之间能够保持兼容。
多线程共享资源：JVM的设计允许方法区和堆等资源被多个线程共享，而虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器等则为每个线程独有一份。这种设计既提高了效率，也保证了在不同硬件和操作系统平台上Java程序的稳定性和一致性。