内存模型JVM与并发

并发的三个概念

• 原子性：一个或多个操作要么全操作要么全不操作，不可分割

• 可见性：是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

• 有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行

JVM模型

在Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。Java内存模型定义了程序中变量的访问规则，往大一点说是定义了程序执行的次序。为了获得较好的执行性能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的寄存器或者高速缓存来提升指令执行速度，也没有限制编译器对指令进行重排序。

Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。

i = 10;

执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作，然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。

JVM模型对并发三个概念的解释

• 原子性：JVM模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

  • atomic包下提供了一些原子操作类，比如atomicInteger，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。

• 可见性：当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中

• 有序性：JVM通过volatile、synchronized、Lock保证一定的有序性。同事提供happen-before原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

happen-before原则

• 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作

• 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作

• volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作

• 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C

• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作

• 线程中断规则：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

• 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行

• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

JVM内存模型

• JVM内存划分为堆内存和非堆内存，堆内存分为年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation），非堆内存就一个永久代（Permanent Generation）；

• 年轻代又分为Eden和Survivor区。Survivor区由FromSpace和ToSpace组成。Eden区占大容量，Survivor两个区占小容量，默认比例是8:1:1。

• 堆内存用途：存放的是对象，垃圾收集器就是收集这些对象，然后根据GC算法回收。

• 非堆内存用途：永久代，也称为方法区，存储程序运行时长期存活的对象，比如类的元数据、方法、常量、属性等

在JDK1.8版本废弃了永久代，替代的是元空间（MetaSpace），元空间与永久代上类似，都是方法区的实现，他们最大区别是：元空间并不在JVM中，而是使用本地内存。元空间有注意有两个参数：

• MetaspaceSize ：初始化元空间大小，控制发生GC阈值

• MaxMetaspaceSize ： 限制元空间大小上限，防止异常占用过多物理内存

分代和GC

新生成的对象首先放到年轻代Eden区，当Eden空间满了，触发Minor GC，存活下来的对象移动到Survivor0区，Survivor0区满后触发执行Minor GC，Survivor0区存活对象移动到Suvivor1区，这样保证了一段时间内总有一个survivor区为空。经过多次Minor GC仍然存活的对象移动到老年代。

老年代存储长期存活的对象，占满时会触发Major GC=Full GC，GC期间会停止所有线程等待GC完成，所以对响应要求高的应用尽量减少发生Major GC，避免响应超时。

• Minor GC：清理年轻代

• Major GC：清理老年代

• Full GC：清理整个堆空间，包括年轻代和永久代

所有GC都会停止应用所有线程。

JVM堆内存常用参数

-Xms                     堆内存初始大小，单位m、g
-Xmx（MaxHeapSize）        堆内存最大允许大小，一般不要大于物理内存的80%
-XX:PermSize                非堆内存初始大小，一般应用设置初始化200m，最大1024m就够了
-XX:MaxPermSize             非堆内存最大允许大小
-XX:NewSize（-Xns）      年轻代内存初始大小
-XX:MaxNewSize（-Xmn） 年轻代内存最大允许大小，也可以缩写
-XX:SurvivorRatio=8          年轻代中Eden区与Survivor区的容量比例值，默认为8，即8:1
-Xss                       堆栈内存大小

如何排查堆内存溢出

在年轻代中经过GC后还存活的对象会被复制到老年代中。当老年代空间不足时，JVM会对老年代进行完全的垃圾回收（Full GC）。如果GC后，还是无法存放从Survivor区复制过来的对象，就会出现OOM（Out of Memory）。

OOM异常常见有以下几个原因：

• 老年代内存不足：java.lang.OutOfMemoryError:Javaheapspace

• 永久代内存不足：java.lang.OutOfMemoryError:PermGenspace

• 代码bug，占用内存无法及时回收。

• OOM在这几个内存区都有可能出现，实际遇到OOM时，能根据异常信息定位到哪个区的内存溢出。

可以通过添加个参数-XX:+HeapDumpOnOutMemoryError，让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后分析。

垃圾回收算法和垃圾回收器

红色代表非活动对象，绿色代表活动对象。

• 标记-清除：直接标记并清楚非活动对象。可能造成碎片化。

• 复制：将内存划分为两块，每次只使用一块，当这一块用完了，就把存活对象全都复制到另一块，然后回收用完的一整块。简单，但需要两倍的内存空间。

• 标记-整理：首先标记可回收对象，再将存活对象都向一端移动，然后清理掉边界以外的内存

• 串行收集器：单线程收集器，收集时必须赞同应用的工作线程直到收集结束。

• 并行收集器：并行，收集时应用线程处于等待状态。

• CMS收集器：基于标记-清除算法，可以缩短等待时间

• G1收集器：G1收集器将堆内存划分多个大小相等的独立区域（Region），跟踪各个Region里的垃圾堆积价值大小（所获得空间大小以及回收所需时间），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region，从而保证了再有限时间内获得更高的收集效率，并且能预测暂停时间。

垃圾回收相关JVM参数包括：

-XX:+UseSerialGC	串行收集器
-XX:+UseParallelGC	并行收集器
-XX:+UseParallelGCThreads=8	并行收集器线程数，同时有多少个线程进行垃圾回收，一般与CPU数量相等
-XX:+UseParallelOldGC	指定老年代为并行收集
-XX:+UseConcMarkSweepGC	CMS收集器（并发收集器）
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection	开启内存空间压缩和整理，防止过多内存碎片
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0	表示多少次Full GC后开始压缩和整理，0表示每次Full GC后立即执行压缩和整理
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80%	表示老年代内存空间使用80%时开始执行CMS收集，防止过多的Full GC
-XX:+UseG1GC	G1收集器
-XX:MaxTenuringThreshold=0	在年轻代经过几次GC后还存活，就进入老年代，0表示直接进入老年代

内存调优案例

JAVA_OPTS="-server -Xms512m -Xmx2g -XX:+UseG1GC -XX:SurvivorRatio=6 -XX:MaxGCPauseMillis=400 -XX:G1ReservePercent=15 -XX:ParallelGCThreads=4 -XX:

内存屏障

内存屏障是解决指令重排的底层原理。JVM从抽象层面实现了四类内存屏障：

• LoadLoad：保证屏障后的load2命令读取前，屏障前的load1命令已读取完毕

• StoreStore：保证屏障后的store2命令写入前，屏障前的store1命令已写入完毕，且对其他处理器可见。

• LoadStore：保证屏障后的store2命令写入前，屏障前的load1命令已读取完毕

• StoreLoad：保证屏障后的load2命令读取前，屏障前的store1命令执行完毕，对其他处理器可见。