Java运行时内存区域与硬件内存的关系1

什么是 JMM？

在上一篇文章中，我们了解了计算机由于各个硬件的读取速度之间的巨大差距,和充分利用CPU的性能的手段方法，及其所带来的一系列问题：

1. 为了充分压榨CPU的性能， CPU 会对指令乱序执行或者语言的编译器会指令重排 ，让CPU一直工作不停歇，但同时会导致有序性问题。
2. 为了平衡CPU的寄存器和内存的速度差异，计算机的CPU 增加了高速缓存，但同时导致了 可见性问题
3. 为了平衡CPU 与 I/O 设备的速度差异，操作系统增加了进程、线程概念，以分时复用 CPU，但同时导致了原子性问题。

Java 是最早尝试提供内存模型的编程语言。由于Java 语言是跨平台的，另外各个操作系统总存在一些差异，Java在物理机器的基础上抽象出一个内存模型(JMM)

JMM 可以看作是 Java 定义的并发编程相关的一组规范，除了抽象了线程和主内存之间的关系之外，其还规定了从 Java 源代码到 CPU 可执行指令的这个转化过程要遵守哪些和并发相关的原则和规范，这样就可以屏蔽各个操作系统的差异，简化多线程编程。

Java 运行时内存区域与硬件内存的关系

Java 内存区域和Java内存模型有何区别？

这是一个非常容易让人混淆的问题，Java 内存区域和内存模型完全是不一样的东西，

1. Java 内存区域, 也叫内存区域、JVM内存模型，和 Java 虚拟机(JVM)的运行时区域相关，是指 JVM运行时将数据分区域存储，强调对内存空间的划分。
2. Java内存模型,也叫内存模型(JMM),是Java 定义的并发编程相关的一组规范，除了抽象了线程和主内存之间的关系之外，其还规定了从 Java 源代码到 CPU 可执行指令的这个转化过程要遵守哪些和并发相关的原则和规范，屏蔽各个操作系统的差异。通俗点说： JMM规范了程序中变量的访问规则，保证了操作的原子性、可见性、有序性， 我们下文慢慢道来。

我们知道JVM 运行时内存区域是分区域的，分为栈、堆等，其实这些都是 JVM 定义的逻辑概念。但在传统的硬件内存架构中是没有栈和堆这种概念。

其中：

1. 图中栈可以细分为：虚拟机栈（JVM Stacks）和 本地方法栈（Native Method Stack）

• 虚拟机栈（JVM Stacks）： 线程私有，它的生命周期和线程相同 ，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线帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，每个方法从调用直至执行完成的过程，都对应着一个线帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程
• 本地方法栈（Native Method Stack）： 线程私有 ，本地方法栈与虚拟机栈的作用是一样的，只不过虚拟机栈是服务Java方法的，而本地方法栈是为虚拟机调用Native方法服务的。在Java虚拟机规范中对于本地方法栈没有特殊的要求，虚拟机可以自由的实现它，因此 在Sun HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一了 。线程开始调用本地方法时，会进入 不再受 JVM 约束的世界。本地方法可以通过 JNI(Java Native Interface)来访问虚拟机运行时的数据区，甚至可以调用寄存器，具有和 JVM 相同的能力和权限。JNI 类本地方法最著名的应该是 System.currentTimeMillis()

2. 堆（Heap）

虚拟机堆是Java虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享的，在虚拟机启动时候创建，Java堆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，随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化的技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配在堆上渐渐变得不那么“绝对”了。

Java中栈和堆既存在于计算机的高速缓存中，又存在于主存中，所以两者并没有很直接的关系。

Java 线程与主内存的关系

Java 内存模型（JMM） 抽象了线程和主内存之间的关系，就比如说线程之间的共享变量必须存储在主内存中。在 JDK1.2 之前，Java 的内存模型实现总是从 主存 （即共享内存）读取变量，是不需要进行特别的注意的。而在当前的 Java 内存模型下，线程可以把变量保存 本地内存 （比如机器的寄存器）中，而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝，造成数据的不一致。

什么是主内存？什么是本地内存？

• 主内存 ：所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)
• 本地内存 ：每个线程都有一个私有的本地内存来存储共享变量的副本，并且，每个线程只能访问自己的本地内存，无法访问其他线程的本地内存。本地内存是 JMM 抽象出来的一个概念，存储了主内存中的共享变量副本。

Java 内存模型其实是一种规范，定义了很多东西：

• 所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。
• 每个线程都有一个私有的本地内存 （Local Memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的拷贝副本。
• 线程对变量的所有操作都必须在本地内存中进行，而不能直接读写主内存。
• 不同的线程之间无法直接访问对方本地内存中的变量。

这里所讲的主内存、工作内存与 Java 内存区域中的 Java 堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，这两者基本上是没有关系的，如果两者一定要勉强对应起来，那从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。