java多线程内存模型
java多线程内存模型
Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型(Java Memory Model,JMM)来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。在此之前，主流程序怨言(如C/C++等)直接使用物理硬件(或者说操作系统的内存模型)，因此，会由于不同的平台上内存模型差异，导致程序在一套平台上并发完成正常，而在另一套平台上并发访问却经常出错，因此经常需要针对不同的平台来编写程序。
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的底层细节。
Java多线程内存模型工作原理：
Java内存模型规定了所有变量都存储在主内存中，每条线程都有自己的工作内存，线程的工作内存保存了被该线程使用到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，而不能直接读写主内存中的变量。不同线程也不能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通过主内存来完成，线程，主内存，工作内存三者的交互关系。
ava中通过多线程使得多个任务同时执行处理，所有的线程共享JVM内存区域main memory，而每个线程又有自己的工作内存，当线程与内存区域进行交互时，数据从主存拷贝到工作内存，进而交由线程处理。
Java虚拟机内存模型中定义的访问操作与物理计算机处理的基本一致。
1、程序计数器(Program Counter Register)
程序计数器是一块较小的内存空间，其存放的是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里(仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现)，字节码解释器工作时就是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。
由于Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)只会执行一条线程中的指令。因此，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。
如果线程正在执行的是一个Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Natvie 方法，这个计数器值则为空(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。
2、Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)
与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，其生命周期与线程相同。
虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame ①)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
经常有人把Java 内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack)，这种分法比较粗糙，Java 内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”在后面会专门讲述，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置)和returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。其中64 位长度的long 和double 类型的数据会占用2 个局部变量空间(Slot)，其余的数据类型只占用1 个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
抛出异常：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的Java 虚拟机都可动态扩展，只不过Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈)，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。
3、本地方法栈(Native Method Stacks)
本地方法栈与虚拟机栈的作用非常相似，虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用的Native方法服务的。
虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot 虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError异常。
4、Java堆(Java Heap)
对于大多数应用来说，Java 堆是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。
Java堆中唯一的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
这一点在Java 虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配①，但是随着JIT 编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换②优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”(Garbage Collected Heap)。
根据Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms 控制)。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。
4、方法区(Method Area)——又名Non-Heap
方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，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。虽然Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的应该是与Java 堆区分开来。
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。
5、运行时常量池(Runtime Constant Pool)
运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
6、直接内存(Direct Memory)
直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError 异常出现。应用在某些场景中能显著提高性能，因为其避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。