【Java】JVM内存结构

JVM内存结构

JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）是运行 Java 程序的核心组件，是 Java 的运行时环境，它将 Java 编译后的字节码 .class 文件，转换为对应平台的机器指令并执行。

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一句话定义

JVM 是一种虚拟计算机，负责加载、验证、解释/编译和执行 Java 字节码，并管理程序的内存、线程、垃圾回收等运行细节。

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JVM 的作用

功能	描述
跨平台执行	一次编写，到处运行（WORA）
自动内存管理	包括堆内存分配、垃圾回收（GC）等
安全性保障	字节码验证、类加载机制防止恶意代码
线程调度与管理	提供并发编程支持（线程栈、线程调度器等）
性能优化	JIT 编译器可将热点代码转为本地机器码执行，提升运行效率

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JVM 的工作流程图（简化）

Java源代码(.java)
        ↓  编译
Java编译器 (javac)
        ↓  输出字节码
字节码文件(.class)
        ↓  加载执行
JVM（类加载器 + 执行引擎 + 内存管理 + 垃圾回收）
        ↓
平台相关的机器码 → 输出结果

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JVM 内存结构（运行时数据区）

区域	描述
方法区（元空间）	类结构、常量池、静态变量、运行时常量等信息
堆（Heap）	所有对象实例的内存区域，是 GC 的主要区域
栈（Stack）	每个线程私有，保存局部变量、方法调用栈帧
程序计数器	记录当前线程执行的字节码行号（指令地址）
本地方法栈	调用 native 本地方法时使用

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JVM 执行引擎

• 解释器：逐条解释执行字节码（启动快）
• JIT 编译器：将热点代码编译为机器码（运行快）

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JVM 与 JDK、JRE 的关系

        JDK
     ┌──────────┐
     │ JRE      │ 包含 JVM + Java 核心类库
     │ ┌──────┐ │
     │ │ JVM  │ │ ← 执行 Java 程序的核心
     │ └──────┘ │
     └──────────┘

• JDK：开发工具包（包含 JRE）
• JRE：运行环境（包含 JVM 和类库）
• JVM：运行程序的虚拟机引擎

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总结

项目	JVM 的作用
运行环境	加载和执行 Java 字节码
平台无关	一次编写，到处运行
内存管理	管理对象分配和垃圾回收
安全高效	字节码验证 + JIT 优化

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Java内存模型（JMM）

Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）定义了 Java 虚拟机中多个线程之间如何共享变量，以及 在并发环境下如何保证可见性、有序性和原子性。

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为什么需要 Java 内存模型（JMM）

多线程编程中的三个核心问题：

问题类型	含义
原子性	操作不可中断，例如 i++ 不是原子操作
可见性	一个线程对共享变量的修改，其他线程能否立即看到
有序性	指令可能会被 CPU 或编译器重排序，影响预期执行顺序

JMM 就是为了解决这些问题，让 Java 并发编程更可控、更安全。

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Java 内存模型结构图

┌─────────────────────────────────────────────┐
│                  主内存 (Main Memory)        │ ← 所有线程共享变量存储地
│ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐             │
│ │ var A  │ │ var B  │ │ var C  │ ← 所有共享变量 │
│ └────────┘ └────────┘ └────────┘             │
└─────▲───────────────────────────────────────┘
      │
┌─────┴────┐     ┌─────┴────┐
│ 线程1    │     │ 线程2    │ ← 每个线程有独立工作内存
│ ┌──────┐ │     │ ┌──────┐ │
│ │ A'   │ │     │ │ A''  │ │ ← 拷贝的变量副本
│ └──────┘ │     │ └──────┘ │
└─────────┘     └─────────┘

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JMM 的三大特性

特性	描述
原子性	基本数据类型的读写是原子的，但复合操作（如 i++）不是
可见性	一个线程修改了主内存，其他线程能看到。用 volatile、锁来保证
有序性	JMM 允许指令重排序，但会通过 happens-before 原则保证最终结果正确

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volatile 的作用（JMM 的典型应用）

1. 保证可见性：修改立即刷新到主内存
2. 禁止指令重排序：加了内存屏障，防止重排
3. 不保证原子性：不能替代加锁

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happens-before（先行发生）原则

JMM 通过“happens-before”规则规定了操作间的顺序性：

规则	描述
程序顺序规则	单线程内代码的执行顺序
监视器锁规则（synchronized）	解锁 happens-before 同一锁后加锁
volatile 变量规则	写 volatile 变量先于之后的读
线程启动规则（Thread.start）	start 之前的操作先行发生于线程内部代码
线程终止规则（Thread.join）	主线程等待子线程结束
传递性规则	A → B 且 B → C，则 A → C

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JVM 内存结构 vs JMM（对比）

JVM 内存结构	Java 内存模型（JMM）
方法区、堆、栈	主内存、工作内存（线程私有）
控制程序运行时内存布局	控制变量如何在线程之间同步
面向运行时	面向并发语义

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总结一句话

Java 内存模型（JMM）是并发编程的核心基础，确保多线程下数据共享时的原子性、可见性、有序性，通过 volatile、synchronized、final 等关键字落地实现。

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JMM三大特性

Java 内存模型（JMM）中的 原子性、可见性、有序性 是并发编程的三大核心保障。JMM 通过一系列语言规范、关键字和底层硬件机制来实现它们。下面是三者的详解及其实现方式：

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1. 原子性（Atomicity）

定义：

一个操作不可被中断，即使多个线程同时执行，也不会出现数据不一致。

JMM 如何实现：

操作类型	是否原子	说明
基本类型的读写	是	int a = 1; 是原子的
复合操作如 i++	否	实际为读 → 改 → 写，非原子操作

保障原子性的手段：

• 使用 **synchronized** 关键字加锁
• 使用 **ReentrantLock**
• 使用原子类如 **AtomicInteger**（基于 CAS）

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2. 可见性（Visibility）

定义：

当一个线程修改了共享变量，其他线程能够立即看到该值的变化。

问题背景：

由于每个线程有自己的 工作内存（变量副本），修改操作可能不会立刻同步到主内存。

JMM 如何实现：

• volatile：对变量的读写会直接从主内存进行，写操作立即刷新到主内存，读操作强制从主内存读取。
• synchronized/lock：加锁时会清空工作内存，从主内存读取最新值；释放锁时会刷新工作内存到主内存。
• final：构造器中正确构造的 final 字段，对其他线程是可见的。

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3. 有序性（Ordering）

定义：

代码的执行顺序和书写顺序一致。

问题背景：

为了提高性能，编译器/CPU/JVM 可能会对指令进行重排序。

JMM 如何实现：

• happens-before 规则（核心规则，保障有序性）

  • 同一个线程内，前面的操作先于后面的操作
  • 对同一个锁的 unlock 先于 lock
  • volatile 写先于读
  • start() 先于子线程代码执行

• volatile：插入内存屏障，禁止重排序

• synchronized：锁的释放/获取建立内存屏障和顺序

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内存屏障（Memory Barrier）

底层 CPU 支持的指令屏障，用来：

• 保证特定指令的顺序执行
• 刷新/读取内存，保障可见性和有序性

Java 的 volatile 会在读写操作前后插入内存屏障。

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三者的对比总结

特性	问题解决	关键字 / 工具	是否 CPU 保证
原子性	操作不可中断	synchronized、AtomicXXX、Lock	部分
可见性	变量对线程共享	volatile、synchronized、final	否（通过缓存）
有序性	指令顺序正确	volatile、synchronized、happens-before	否（需保障）

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示例代码演示（可见性问题）

class VisibilityDemo {
    static boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (!flag) {
                // do something
            }
            System.out.println("Flag is true");
        }).start();

        try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {}
        flag = true; // 主线程修改，子线程可能看不到（没有可见性）
    }
}

若将 flag 改为 volatile boolean flag，则保证子线程可见。

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三大特性针对的数据

主存中存储哪些变量

类型	是否存储在主内存中？	原因说明
成员变量	✅ 是	属于对象，在堆中，对象之间共享，需要线程同步
静态变量	✅ 是	属于类元数据，在方法区中，也是共享变量
数组元素	✅ 是	数组本质上是对象，对象存在主内存（堆）中
final变量	✅ 是（构造后不可变）	被正确初始化后可以被其他线程安全共享
局部变量（栈帧）	❌ 否	每个线程独立栈帧，只存在于线程私有的栈中
方法参数	❌ 否	和局部变量一样，在栈中，是线程私有的