Java内存区域(运行时数据区域)和内存模型(JMM)

Java 内存区域和内存模型是不一样的东西,内存区域是指 Jvm 运行时数据分区域存储,强调对内存空间的划分。

而内存模型Java Memory Model,简称 JMM )是定义了线程和主内存之间的抽象关系,即 JMM 定义了 JVM 在计算机内存(RAM)中的工作方式,如果我们要想深入了解Java并发编程,就要先理解好Java内存模型。

Java运行时数据区域

众所周知,Java 虚拟机有自动内存管理机制,如果出现内存泄漏和溢出方面的问题,排查错误就必须要了解虚拟机是怎样使用内存的。

下图是 JDK8 之后的 JVM 内存布局。

图摘自《码出高效》

这里再放一张 JDK8 之前得内存区域图。

Java内存区域(运行时数据区域)和内存模型(JMM)

程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

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,一个处理器内核都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 Native 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。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样,Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的,它的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:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame,是方法运行时的基础数据结构)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从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入栈到出栈的过程。

在活动线程中,只有位千栈顶的帧才是有效的,称为当前栈帧。正在执行的方法称为当前方法,栈帧是方法运行的基本结构。在执行引擎运行时,所有指令都只能针对当前栈帧进行操作。

操作栈的压栈与出栈-《码出高效》

1. 局部变量表

局部变量表是存放方法参数和局部变量的区域。 局部变量没有准备阶段, 必须显式初始化。如果是非静态方法,则在 index[0] 位置上存储的是方法所属对象的实例引用,一个引用变量占 4 个字节,随后存储的是参数和局部变量。字节码指令中的 STORE 指令就是将操作栈中计算完成的局部变呈写回局部变量表的存储空间内。

虚拟机栈规定了两种异常状况: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),如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

2. 操作栈

操作栈是个初始状态为空的桶式结构栈。在方法执行过程中, 会有各种指令往
栈中写入和提取信息。JVM 的执行引擎是基于栈的执行引擎, 其中的栈指的就是操
作栈。字节码指令集的定义都是基于栈类型的,栈的深度在方法元信息的 stack 属性中。

i++ 和 ++i 的区别:

i++:从局部变量表取出 i 并压入操作栈,然后对局部变量表中的 i 自增 1,将操作栈栈顶值取出使用,最后,使用栈顶值更新局部变量表,如此线程从操作栈读到的是自增之前的值。

++i:先对局部变量表的 i 自增 1,然后取出并压入操作栈,再将操作栈栈顶值取出使用,最后,使用栈顶值更新局部变量表,线程从操作栈读到的是自增之后的值。

之前之所以说 i++ 不是原子操作,即使使用 volatile 修饰也不是线程安全,就是因为,可能 i 被从局部变量表(内存)取出,压入操作栈(寄存器),操作栈中自增,使用栈顶值更新局部变量表(寄存器更新写入内存),其中分为 3 步,volatile 保证可见性,保证每次从局部变量表读取的都是最新的值,但可能这 3 步可能被另一个线程的 3 步打断,产生数据互相覆盖问题,从而导致 i 的值比预期的小。

3. 动态链接

每个栈帧中包含一个在常量池中对当前方法的引用, 目的是支持方法调用过程的动态连接。

4.方法返回地址

方法执行时有两种退出情况:

正常退出,即正常执行到任何方法的返回字节码指令,如 RETURN、IRETURN、ARETURN 等;

异常退出。

无论何种退出情况,都将返回至方法当前被调用的位置。方法退出的过程相当于弹出当前栈帧,退出可能有三种方式:

返回值压入上层调用栈帧。

异常信息抛给能够处理的栈帧。

PC计数器指向方法调用后的下一条指令。

本地方法栈

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