jvm内存结构和java内存模型

jvm内存结构

• 堆（Heap）：线程共享。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。垃圾回收器主要管理的对象。
• 方法区(元空间)（Method Area,MetaSpace）：线程共享。存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。jdk1.8+使用本地内存
• 虚拟机栈（JVM Stack）：线程私有。存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口，对象指针。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：线程私有。为虚拟机使用到的Native 方法服务。如Java使用c或者c++编写的接口服务时，代码在此区运行。
• 程序计数器（Program Counter Register）：线程私有。有些文章也翻译成PC寄存器（PC Register），同一个东西。它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。指向下一条要执行的指令。

堆

字符串常量池在JDK1.8被放入堆中?具体查看> https://www.cnblogs.com/lyalong/p/14440511.html

• 堆的作用是存放对象实例和数组。从结构上来分，可以分为新生代和老年代。

• 而新生代又可以分为Eden 空间、From Survivor 空间（s0）、To Survivor 空间（s1）。默认大小8:1:1. 所有新生成的对象首先都是放在新生代的。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来的对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到老年代的只有从第一个Survivor区过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。

• 控制参数:-Xms设置堆的最小空间大小。-Xmx设置堆的最大空间大小。-XX:NewSize设置新生代最小空间大小。-XX:MaxNewSize设置新生代最小空间大小。

指针碰撞

假设JVM虚拟机上，堆内存都是规整的。堆内存被一个指针一分为二。指针的左边都被塞满了对象，指针的右变是未使用的区域。每一次有新的对象创建，指针就会向右移动一个对象size的距离。这就被称为指针碰撞。
造成的问题：一个线程正在给A对象分配内存，指针还没有来的及修改，同时为B对象分配内存的线程，仍引用这之前的指针指向。这样就出现毛病了。

TLAB

全称是Thread Local Allocation Buffer，即线程本地分配缓存区，这是一个线程专用的内存分配区域。可以解决指针碰撞的问题
创建对象时，需要在堆上申请指定大小的内存，如果同时有大量线程申请内存的话，可以通过锁机制或者指针碰撞的方式确保不会申请到同一块内存，在JVM运行中，内存分配是一个极其频繁的动作，这种方式势必会降低性能。因此，在Hotspot 1.6的实现中引入了TLAB技术。

• 如果设置了虚拟机参数 -XX:UseTLAB，在线程初始化时，同时也会申请一块指定大小的内存，只给当前线程使用，这样每个线程都单独拥有一个Buffer，如果需要分配内存，就在自己的Buffer上分配，这样就不存在竞争的情况，可以大大提升分配效率，当Buffer容量不够的时候，再重新从Eden区域申请一块继续使用，这个申请动作还是需要原子操作的。
• TLAB的目的是在为新对象分配内存空间时，让每个Java应用线程能在使用自己专属的分配指针来分配空间，均摊对GC堆（eden区）里共享的分配指针做更新而带来的同步开销。
• TLAB只是让每个线程有私有的分配指针，但底下存对象的内存空间还是给所有线程访问的，只是其它线程无法在这个区域分配而已。当一个TLAB用满（分配指针top撞上分配极限end了），就新申请一个TLAB，而在老TLAB里的对象还留在原地什么都不用管——它们无法感知自己是否是曾经从TLAB分配出来的，而只关心自己是在eden里分配的。
• TLAB的缺点
  • 因为TLAB通常很小，所以放不下大对象。
  • TLAB空间还剩一点点没有用到，有点舍不得。(比如100kb的TLAB，装了80KB，又来了个30KB的对象)
    所以JVM开发人员做了以下处理，设置了最大浪费空间。
  • 当剩余的空间小于最大浪费空间，那该TLAB属于的线程在重新向Eden区申请一个TLAB空间,进行对象创建，如果还是空间不够，那这个对象太大了，只能去Eden区直接创建！
  • Eden空间够的时候，你再次申请TLAB没问题，我不够了，Heap的Eden区要开始GC
  • TLAB允许浪费空间，导致Eden区空间不连续，积少成多。以后还要人帮忙打理。

方法区

方法区（Method Area,jdk1.8+ 改名元空间 MetaSpace）与Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。

• 控制参数:-XX:PermSize 设置最小空间 -XX:MaxPermSize 设置最大空间。这俩最好设置一样,这样就不会因为动态扩容造成内存震荡

方法栈

• 每个线程会有一个私有的栈。每个线程中方法的调用又会在本栈中创建一个栈帧。
• 在方法栈中会存放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。)
• 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。

程序计数器

• 它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
• 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内存模型

Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。
线程之间的共享变量存储在主内存（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/写共享变量的副本。

本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意图如下：

• 线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：
  • 首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
  • 然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

指令重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序

• 可以发生在好几个地方：编译器、运行时、JIT等，比如编译器会觉得把一个变量的写操作放在最后会更有效率，编译后，这个指令就在最后了（前提是只要不改变程序的语义，编译器、执行器就可以这样自由的随意优化），一旦编译器对某个变量的写操作进行优化（放到最后），那么在执行之前，另一个线程将不会看到这个执行结果。
• Java中包含了几个关键字：volatile、final和synchronized，帮助程序员把代码中的并发需求描述给编译器。JMM中定义了它们的行为，确保正确同步的Java代码在所有的处理器架构上都能正确执行。

逃逸分析、栈上分配、标量替换、同步消除

逃逸分析是编译语言中的一种优化分析，而不是一种优化的手段。通过对象的作用范围的分析，为其他优化手段提供分析数据从而进行优化。

• 逃逸分析包括：

  • 全局变量赋值逃逸
  • 方法返回值逃逸
  • 实例引用发生逃逸
  • 线程逃逸:赋值给类变量或可以在其他线程中访问的实例变量.

• 标量替换

  • 标量即不可被进一步分解的量，而JAVA的基本数据类型就是标量（如：int，long等基本数据类型以及reference类型等），标量的对立就是可以被进一步分解的量，而这种量称之为聚合量。而在JAVA中对象就是可以被进一步分解的聚合量。
  • 通过逃逸分析确定该对象不会被外部访问，并且对象可以被进一步分解时，JVM不会创建该对象，而会将该对象的成员变量分解成若干个变量来代替。这些代替的成员变量在栈帧或寄存器上分配空间。
  • 通过-XX:+EliminateAllocations可以开启标量替换， -XX:+PrintEliminateAllocations查看标量替换情况（Server VM 非Product版本支持）

• 栈上分配

  • 我们通过JVM内存分配可以知道JAVA中的对象几乎都是在堆上进行分配，当对象没有被引用的时候，需要依靠GC进行回收内存，如果对象数量较多的时候，会给GC带来较大压力，也间接影响了应用的性能。为了减少临时对象在堆内分配的数量，JVM通过逃逸分析确定该对象不会被外部访问.那就通过标量替换将该对象分解在栈上分配内存，这样该对象所占用的内存空间就可以随栈帧出栈而销毁，就减轻了垃圾回收的压力。
  • 通过-XX:-DoEscapeAnalysis关闭逃逸分析,JDK1.8是默认开启逃逸分析

• 同步消除

  • 同步消除是java虚拟机提供的一种优化技术。通过逃逸分析，可以确定一个对象是否会被其他线程进行访问
  • 如果对象没有出现线程逃逸，那该对象的读写就不会存在资源的竞争，不存在资源的竞争，则可以消除对该对象的同步锁。
  • 通过-XX:+EliminateLocks可以开启同步消除,进行测试执行的效率.