JVM 内存模型

一、JVM 内存模型：堆与栈

1. 逻辑划分

• 线程栈（Thread Stack）：线程私有，存储方法调用相关数据。
• 堆（Heap）：线程共享，存储所有对象实例。

2. 堆栈内容

• 线程栈：
• 存储每个方法调用的局部变量（基本类型和对象引用）。
• 基本类型（如 int、double）完全存储在栈中，线程隔离。
• 对象引用存储在栈中，指向堆中的对象。
• 每个线程有独立的栈，互不干扰。
• 堆：
• 存储所有对象实例（包括基本类型包装类如 Integer）。
• 对象的成员变量（基本类型或引用）随对象存储在堆中。
• 静态变量随类定义存储在堆中。

3. 线程栈访问堆

• 机制：
• 线程通过栈中的对象引用访问堆中对象。
• 多个线程可引用同一对象，访问其成员变量。
• 示例： java public class MyRunnable implements Runnable { public void run() { methodOne(); } public void methodOne() { int localVariable1 = 45; // 栈中基本类型 MySharedObject localVariable2 = MySharedObject.sharedInstance; // 栈中引用，指向堆 methodTwo(); } public void methodTwo() { Integer localVariable1 = new Integer(99); // 栈中引用，新对象在堆 } } public class MySharedObject { public static final MySharedObject sharedInstance = new MySharedObject(); // 静态变量在堆 public Integer object2 = new Integer(22); // 成员变量在堆 public Integer object4 = new Integer(44); public long member1 = 12345; // 基本类型成员变量在堆 }
• 分析：
• localVariable1（int）在栈中，线程隔离。
• localVariable2 引用堆中共享对象 sharedInstance。
• methodTwo 中的 localVariable1 引用堆中新 Integer 对象。
• 多个线程运行时，各有栈帧，但共享堆中对象。

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二、JMM 与硬件内存结构关系

1. 硬件内存结构

• 架构：
• CPU：多核，每个核可运行一个线程。
• 寄存器：最快存储，操作数据。
• CPU 缓存：介于寄存器和主存，加速访问。
• 主存（RAM）：所有 CPU 共享，容量大但较慢。
• 数据流：
• CPU 从主存读取数据到缓存/寄存器。
• 操作后刷新回缓存，再回主存。

2. JMM 与硬件映射

• 逻辑 vs 物理：
• JMM 的栈和堆在硬件上都映射到主存。
• 栈帧和局部变量可能缓存到 CPU 寄存器或缓存。
• 问题：
• 可见性：线程更新共享变量可能未及时刷新到主存，其他线程不可见。
• 竞态条件：多线程并发更新共享变量，可能导致数据不一致。

3. 可见性问题

• 场景：
• 线程 A 更新堆中对象变量，缓存未刷新到主存。
• 线程 B 从主存读取旧值。
• 解决：
• volatile：确保变量直接读写主存。
• 示例：
• 线程 A 将共享对象 count 改为 2，未刷新。
• 线程 B 仍看到旧值 1。

4. 竞态条件

• 场景：
• 线程 A 和 B 同时对共享变量 count 增 1。
• 未同步，可能只增 1 次而非 2 次。
• 解决：
• synchronized：保证单线程访问，刷新变量到主存。
• 示例：
• count 初始为 0，A 和 B 各增 1。
• 无同步，可能最终为 1。

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三、运行时数据区总结

1. 线程私有

• 程序计数器：记录指令地址，无 OOM。
• 虚拟机栈：
• 栈帧存储局部变量（基本类型在栈，引用指向堆）。
• 操作数栈、动态链接等支持方法执行。
• 本地方法栈：管理 Native 方法调用。

2. 线程共享

• 堆：
• 存储对象实例、成员变量、静态变量。
• 分代（年轻代、老年代）优化 GC。
• 方法区：
• 存储类信息、常量池、静态变量（JDK 8 后部分移至堆）。
• 元空间（JDK 8）使用本地内存。

3. 堆栈交互

• 栈访问堆：通过引用操作堆中对象。
• 硬件支持：栈和堆数据可能缓存到寄存器或 CPU 缓存，需同步机制确保一致性。

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四、参考与思考

• JMM 的抽象：屏蔽硬件差异，提供一致性模型。
• 优化：volatile 和 synchronized 解决可见性和竞态问题。
• 实践：理解堆栈分工有助于调试多线程问题和内存管理。