JVM内存模型

JVM内存模型（Java Virtual Machine Memory Model，JMM）是Java虚拟机的一部分，它定义了程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则和多线程并发时内存访问的规则。JVM内存模型的目的是为了保证在多线程环境下程序的可见性、原子性和有序性。

JVM内存模型概述

堆内存

堆内存是JVM中最大的一块内存区域，主要用于存放所有的对象实例和数组。
JVM中堆内存的大小可以通过 -Xms 和 -Xmx 参数来调整，分别表示堆的初始大小和最大大小。
堆内存是线程共享的，所有线程都可以访问堆中的对象。

栈内存

每个线程都有自己的栈内存，用来存储局部变量、方法调用信息和方法执行的状态。
栈内存中的局部变量只在方法执行时有效，方法执行结束后即销毁。
栈内存是线程私有的，不同线程的栈内存互不干扰。
局部变量（包括基本数据类型的变量和对象的引用）存储在栈中。

方法区

方法区是JVM的内存区域之一，包含了类的元数据（如类的结构、常量池、方法信息等）以及类的静态变量。
方法区也被称为永久代（PermGen）或元空间（Metaspace），其中永久代已经在JVM 8之后被元空间取代。
方法区是所有线程共享的，它存放的是类的相关信息。

程序计数器

程序计数器是每个线程私有的，它指示当前线程执行的字节码指令的地址。
程序计数器是线程独立的，不同线程有各自的程序计数器。

本地方法栈

本地方法栈与Java栈类似，但它用于支持本地方法（Native Method）的调用。本地方法是通过 JNI（Java Native Interface）调用的非Java代码。

直接内存

直接内存并不是JVM规范的一部分，但它是JVM通过 java.nio 包（NIO）所引入的内存区域。
直接内存可以通过操作系统的API直接分配，不依赖JVM的堆和栈。它通常用于缓解堆内存的压力，提升性能（如I/O操作中的缓冲区）。

线程之间共享数据的规则

JVM内存模型规定了多个线程之间共享数据的交互规则，主要依赖于**主内存（Main Memory）和工作内存（Working Memory）**的概念：

主内存：所有线程共享的内存区域，包括堆、方法区等。
工作内存：每个线程独立的内存区域，包含该线程对主内存变量的副本。线程对变量的读写操作会首先在工作内存中进行，最终同步回主内存。

注：因为有工作内存的存在，所以会有变量的可见性问题，通常用锁或者volatile来解决。

JVM内存模型优化策略

减少锁竞争，使用锁优化

锁竞争会导致性能瓶颈，过多的线程切换、上下文切换会显著影响程序性能。可以通过以下方式减少锁的竞争：

锁优化：
轻量级锁和偏向锁：

轻量级锁：JVM采用CAS（Compare-And-Swap）技术，避免线程切换开销，适用于竞争较少的场景。
偏向锁：假设大多数情况下，锁不会被多线程竞争，适用于锁竞争极少的场景，能够减少上下文切换开销。
自旋锁：自旋锁避免线程切换，适用于锁持有时间非常短的场景，能够显著减少因上下文切换带来的性能损失。
读写锁：读写锁（如ReentrantReadWriteLock）允许多个线程同时读取，提升了读多写少场景下的性能。

注：锁的竞争会导致线程进入等待状态，等待状态有可能释放cpu时间分片，就可能带来上下文的切换。通常通过自旋等方式尽量避免发生上下文切换，但是这种方式通常只合适于竞争不激烈的时候。知道了上下文切换的开销能更好的理解锁的设计原理和使用场景。详见

减少线程切换开销

过多的线程切换和上下文切换会导致性能下降，合理的线程池和任务调度策略能够有效减少这类开销。

解决方案：
  线程池优化：
    使用合适的线程池（如ExecutorService）来管理线程，避免频繁创建和销毁线程。
  控制线程数量：
    合理控制线程的数量，避免过多线程带来的频繁上下文切换。

优化线程间的可见性

在多线程环境中，不同线程之间的共享数据可能会被缓存或重新排序，导致数据不一致或不可见。优化线程间的可见性能够确保数据一致性。

关键技术：
  volatile关键字：
    volatile保证变量的写操作对所有线程立即可见，并防止指令重排问题。适用于简单的标志位控制、单例模式等场景。
  内存屏障和happens-before规则：
    JVM通过内存屏障控制线程的可见性。happens-before规则确保某些操作顺序性，避免指令重排导致的数据不一致问题。

减少内存访问冲突

多个线程访问共享内存区域可能会导致内存冲突和缓存一致性问题，影响程序性能。

解决方案：
  数据局部性优化：将线程操作的数据局部化，减少多个线程访问相同内存区域，从而减少内存访问冲突。
  分段锁：通过将共享资源拆分成多个小块，使用分段锁（如ConcurrentHashMap），从而减少对同一资源的竞争。

注：ConcurrentHashMap就是用到了分段锁，分别锁定多个区域的数据，减少了数据操作冲突

并发工具类的优化

Java提供了很多并发工具类，它们通过高效的锁机制和无锁编程（如CAS）来优化并发性能。

常用工具类：
  原子类（AtomicInteger, AtomicLong）：通过CAS机制实现原子操作，适用于高并发下的计数、累加等场景。
  并发集合类（ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList）：这些集合类通过分段锁、乐观锁等方式减少了锁竞争，提高了并发性能。

JVM参数优化

合理的JVM启动参数配置能够进一步提升性能，避免不必要的内存开销和GC暂停。

关键参数：
  -Xms 和 -Xmx：设置JVM堆内存的初始大小和最大大小，避免频繁的GC。
  -XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器，适用于大规模应用的低延迟需求。
  -XX:ConcGCThreads 和 -XX:ParallelGCThreads：配置并行GC线程数，减少GC带来的性能损失。

垃圾回收优化

垃圾回收（GC）会引起性能波动，特别是Full GC。优化GC过程，避免频繁的GC暂停对于提升并发性能至关重要。

GC优化：
  选择合适的垃圾回收器：
    G1 GC：适用于大规模应用，提供低延迟和高吞吐量。
    ZGC、Shenandoah GC：低延迟GC，适用于对延迟要求较高的场景。
  调整堆内存大小：
    合理配置JVM堆内存大小，避免频繁的Full GC。
  减少对象创建和销毁：
    避免频繁的对象创建，使用对象池、缓存等复用机制来减少GC负担。

其他

JVM内存模型的核心目标
  JVM内存模型的核心目标是在多线程环境下提供一致的内存访问规则，以保证线程间的交互符合预期。主要涉及三个问题：

  可见性（Visibility）
    在多线程环境中，线程之间对共享变量的修改可能不会立刻对其他线程可见。JVM内存模型要求，线程对共享变量的修改必须能够被其他线程及时看到。
  原子性（Atomicity）
    原子性保证某个操作要么完全执行成功，要么完全执行失败，不会被中断。JVM内存模型通过原子操作和同步机制保证了基本操作（如读取和写入单个变量）在多线程环境中的原子性。
  有序性（Ordering）
    有序性要求程序执行的顺序与代码中的顺序一致，避免因为编译器优化或者CPU指令重排导致的执行顺序错误。JVM内存模型通过使用happens-before规则来控制执行顺序。

happens-before规则
  JVM内存模型定义了一些happens-before规则，这些规则保证了线程间操作的顺序性，避免不一致性。例如：

  程序顺序规则：在一个线程内，按程序顺序执行的操作 A happens-before 操作 B。
  监视器锁规则：一个线程释放了锁，另一个线程获取了同一个锁，那么释放锁的操作 happens-before 获取锁的操作。
  volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作 happens-before 所有后续对该变量的读操作。
  线程启动规则：线程 A 在启动线程 B 之前的所有操作 happens-before 线程 B 中的任何操作。
  线程终止规则：线程 A 中的操作 happens-before 线程 A 调用 join() 方法并返回之后，线程 B 中的操作。


内存屏障（Memory Barriers）
  为了确保不同线程之间的内存操作顺序，JVM和硬件层面会使用内存屏障来实现对内存操作顺序的控制。内存屏障强制性地让某些内存操作按照预定的顺序执行。
  例如：
    Store-Load屏障：禁止存储操作（写）在加载操作（读）之前执行。
    Load-Load屏障：确保先加载（读）操作在后加载（读）操作之前执行。


关键字与JVM内存模型的关系
  volatile
    volatile关键字用于保证变量的可见性，它确保每次读取变量时都直接从主内存中读取，而不是从线程的本地缓存中读取。
    volatile确保所有线程对该变量的修改对其他线程可见，并且可以防止指令重排。
  synchronized
    synchronized关键字用于控制并发执行的顺序。它通过为方法或代码块加锁，确保同一时刻只有一个线程可以执行代码块中的内容。它也会保证对共享资源的修改是原子性的，并且可以通过内存同步确保数据的可见性。
  final
    final关键字在JVM内存模型中也有特定的意义。当一个对象的字段被声明为final时，JVM保证该字段的值在构造函数完成之后对所有线程可见。

问题

1.说说JVM内存模型
2.怎么解决变量的可见性问题