JAVA内存模型

#1、硬件内存和JAVA内存

• 硬件的效率与一致性
  
• Java内存模型中规定了全部的变量都存储在主内存中，每条线程还有本身的工做内存，线程的工做内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝，线程对变量的全部操做（读取、赋值）都必须在工做内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不一样线程之间没法直接访问对方工做内存中的变量，线程间变量值的传递均须要在主内存来完成
  

#2、JAVA内存模型 按照官方的说法：Java 虚拟机具备一个堆，堆是运行时数据区域，全部类实例和数组的内存均今后处分配。
JVM主要管理两种类型内存：堆和非堆，堆内存（Heap Memory）是在 Java 虚拟机启动时建立，非堆内存(Non-heap Memory)是在JVM堆以外的内存。 简单来讲，堆是Java代码可及的内存，留给开发人员使用的；非堆是JVM留给本身用的，包含方法区、JVM内部处理或优化所需的内存（如 JIT Compiler，Just-in-time Compiler，即时编译后的代码缓存）、每一个类结构（如运行时常数池、字段和方法数据）以及方法和构造方法的代码。

JVM 内存包含以下几个部分：

堆内存（Heap Memory）： 存放Java对象
非堆内存（Non-Heap Memory）： 存放类加载信息和其它meta-data
其它（Other）： 存放JVM 自身代码等

在JVM启动时，就已经保留了固定的内存空间给Heap内存，这部份内存并不必定都会被JVM使用，可是能够肯定的是这部分保留的内存不会被其余进程使用，这部份内存大小由-Xmx 参数指定。而另外一部份内存在JVM启动时就分配给JVM，做为JVM的初始Heap内存使用，这部份内存是由 -Xms 参数指定。

#3、JAVA内存分配 Java的内存管理实际上就是变量和对象的管理，其中包括对象的分配和释放。

JVM内存申请过程以下：

1. JVM 会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域
2. 当Eden空间足够时，内存申请结束；不然到下一步
3. JVM 试图释放在Eden中全部不活跃的对象（这属于1或更高级的垃圾回收）,释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区
4. Survivor区被用来做为Eden及OLD的中间交换区域，当OLD区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，不然会被保留在Survivor区
5. 当OLD区空间不够时，JVM 会在OLD区进行彻底的垃圾收集（0级）
6. 彻底垃圾收集后，若Survivor及OLD区仍然没法存放从Eden复制过来的部分对象，致使JVM没法在Eden区为新对象建立内存区域，则出现”out of memory”错误

#4、JAVA内存间交互操做 关于主内存与工做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做内存、如何从工做内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了如下八种操做来完成：

• lock（锁定）：做用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
• unlock（解锁）：做用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其余线程锁定。
• read（读取）：做用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工做内存中，以便随后的load动做使用
• load（载入）：做用于工做内存的变量，它把read操做从主内存中获得的变量值放入工做内存的变量副本中。
• use（使用）：做用于工做内存的变量，把工做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须要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操做。
• assign（赋值）：做用于工做内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工做内存的变量，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做。
• store（存储）：做用于工做内存的变量，把工做内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操做。
• write（写入）：做用于主内存的变量，它把store操做从工做内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

若是要把一个变量从主内存中复制到工做内存，就须要按顺寻地执行read和load操做，若是把变量从工做内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操做。Java内存模型只要求上述操做必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是能够插入其余指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操做时，必须知足以下规则：

• 不容许read和load、store和write操做之一单独出现
• 不容许一个线程丢弃它的最近assign的操做，即变量在工做内存中改变了以后必须同步到主内存中。
• 不容许一个线程无缘由地（没有发生过任何assign操做）把数据从工做内存同步回主内存中。
• 一个新的变量只能在主内存中诞生，不容许在工做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操做以前，必须先执行过了assign和load操做。
• 一个变量在同一时刻只容许一条线程对其进行lock操做，lock和unlock必须成对出现
• 若是对一个变量执行lock操做，将会清空工做内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前须要从新执行load或assign操做初始化变量的值
• 若是一个变量事先没有被lock操做锁定，则不容许对它执行unlock操做；也不容许去unlock一个被其余线程锁定的变量。
• 对一个变量执行unlock操做以前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操做）。

#5、原子性、可见性、有序性

1. 原子性（Atomicity）
   由Java内存模型来直接保证的原子性变量操做包括read、load、use、assign、store和write六个，大体能够认为基础数据类型的访问和读写是具有原子性的。若是应用场景须要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操做来知足这种需求，尽管虚拟机未把lock与unlock操做直接开放给用户使用，可是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐匿地使用这两个操做，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块---synchronized关键字，所以在synchronized块之间的操做也具有原子性。
2. 可见性（Visibility）
   可见性就是指当一个线程修改了线程共享变量的值，其它线程可以当即得知这个修改。Java内存模型是经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这种依赖主内存做为传递媒介的方法来实现可见性的，不管是普通变量仍是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是volatile的特殊规则保证了新值能当即同步到主内存，以及每使用前当即从内存刷新。由于咱们能够说volatile保证了线程操做时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile以外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是synchronized。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操做以前，必须先把此变量同步回主内存中(执行store和write操做)”这条规则得到的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段是构造器一旦初始化完成，而且构造器没有把“this”引用传递出去，那么在其它线程中就能看见final字段的值。 3. 有序性（Ordering）
Java内存模型中的程序自然有序性能够总结为一句话：若是在本线程内观察，全部操做都是有序的；若是在一个线程中观察另外一个线程，全部操做都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工做内存主主内存同步延迟”现象。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操做的有序性，volatile关键字自己就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只容许一条线程对其进行lock操做”这条规则来得到的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

先行发生原则：

若是Java内存模型中全部的有序性都只靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操做将会变得很啰嗦，可是咱们在编写Java并发代码的时候并无感受到这一点，这是由于Java语言中有一个“先行发生”(Happen-Before)的原则。这个原则很是重要，它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的主要依赖。

先行发生原则是指Java内存模型中定义的两项操做之间的依序关系，若是说操做A先行发生于操做B，其实就是说发生操做B以前，操做A产生的影响能被操做B观察到，“影响”包含了修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。它意味着什么呢？以下例：

//线程A中执行 i = 1;

//线程B中执行 j = i;

//线程C中执行 i = 2;
假设线程A中的操做”i=1“先行发生于线程B的操做”j=i“，那么咱们就能够肯定在线程B的操做执行后，变量j的值必定是等于1，结出这个结论的依据有两个，一是根据先行发生原则，”i=1“的结果能够被观察到；二是线程C登场以前，线程A操做结束以后没有其它线程会修改变量i的值。如今再来考虑线程C，咱们依然保持线程A和B之间的先行发生关系，而线程C出如今线程A和B操做之间，可是C与B没有先行发生关系，那么j的值多是1，也多是2，由于线程C对应变量i的影响可能会被线程B观察到，也可能观察不到，这时线程B就存在读取到过时数据的风险，不具有多线程的安全性。

下面是Java内存模型下一些”自然的“先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，能够在编码中直接使用。若是两个操做之间的关系不在此列，而且没法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机能够对它们进行随意地重排序。

a.程序次序规则(Pragram Order Rule)：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操做先行发生于书写在后面的操做。准确地说应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，由于要考虑分支、循环结构。

b.管程锁定规则(Monitor Lock Rule)：一个unlock操做先行发生于后面对同一个锁的lock操做。这里必须强调的是同一个锁，而”后面“是指时间上的前后顺序。

c.volatile变量规则(Volatile Variable Rule)：对一个volatile变量的写操做先行发生于后面对这个变量的读取操做，这里的”后面“一样指时间上的前后顺序。

d.线程启动规则(Thread Start Rule)：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个动做。

e.线程终于规则(Thread Termination Rule)：线程中的全部操做都先行发生于对此线程的终止检测，咱们能够经过Thread.join()方法结束，Thread.isAlive()的返回值等做段检测到线程已经终止执行。

f.线程中断规则(Thread Interruption Rule)：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，能够经过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生。

g.对象终结规则(Finalizer Rule)：一个对象初始化完成(构造方法执行完成)先行发生于它的finalize()方法的开始。

h.传递性(Transitivity)：若是操做A先行发生于操做B，操做B先行发生于操做C，那就能够得出操做A先行发生于操做C的结论。

一个操做”时间上的先发生“不表明这个操做会是”先行发生“，那若是一个操做”先行发生“是否就能推导出这个操做一定是”时间上的先发生“呢？也是不成立的，一个典型的例子就是指令重排序。因此时间上的前后顺序与先生发生原则之间基本没有什么关系，因此衡量并发安全问题一切必须以先行发生原则为准。

#6、JAVA内存管理 参考文献：http://www.blogjava.net/chhbjh/archive/2012/01/28/368936.html

#7、JAVA安全沙箱 参考文献：https://my.oschina.net/xionghui/blog/499725