Java高级之内存模型分析

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下文是博主感悟，请带着怀疑性的态度阅读！

需要了解基本变量所占内存大小，请移步：读书笔记-类结构的认识

Java存储空间有这么几块-来源于Java编程思想

寄存器：位于处理器内部，不受外层代码控制，由处理器自行分配-C/C++可以建议分配方式

堆栈：位于RAM中  引用和基本数据类型存放的区块。 指针向下生成新对象，向上释放对象（new关键字），相当于链表结构。

堆：位于RAM中 对象存放的区块

常量存储：位于ROM中 存放于方法体中

非RAM存储：流对象和持久化数据-存储到硬盘

说到存储就难免讲到JVM的垃圾回收机制，需要了解的同学可以点进去看看

如果要实现处理器的高效率，那么就要压榨它的每一寸（byte）的运行能力，I3的处理器达到3.4GHz，即每秒运算3.4亿次，因此给它划分任务块，每块分配足够多的任务，实现高并发；所以对内存的模型需要详细了解。

由于硬件的读写速度与处理器的运算速度差距过大，一般都会写一层高速缓存来作为缓冲，一边从硬盘读数据到缓存，一边把处理器的处理结果写入缓存，一边把缓存中要写入的数据写到硬盘；因此很多程序会使用到中间件。

如果多个处理器同时处理缓存，就需要拟定协议谁先谁后，对于同一个处理器中的任务也是同样如此，有sychronzied关键字来处理；同时处理器还会对一段程序丧心病狂的进行(OOOE)乱序处理，也就是顺序在前面的代码并不一定先执行，对于依赖前段程序结果的代码来说，就需要通过其他途径来保证顺序性。

内存模型定义的关键在于第一使各处理器的操作不具有歧义 第二不影响拓展各自的特性；它主要定义虚拟机存取数据的细节，定义所有变量都存储在主内存，每条线程都有自己的工作内存（主内存的副本，或者叫引用），不同线程的工作内存互不直接访问，通过主内存来影响各自对值的引用；拿虚拟机来做例子，寄存器、栈、堆缓存就像工作内存，硬件设备就是主内存。

定义了八种操作来完成上述存取过程

lock和unlock 作用于主内存，标识为某线程独占或释放，成对存在

read和load 读取和加载，从主内存将数据读给工作内存，再加载到工作内存，成对存在

use和assign 使用和赋值 作用于工作内存，将变量给工作引擎，将接收到的值进行处理 成对存在

store和write 存储和写入 从工作内存将数据存回主内存，再写入主内存 成对存在

顺序过程unlock放到write后面即可。不允许读不入工作内存，也不允许写不入主内存；新变量只能在主内存中产生，不能跳级执行，lock与unlock一样重复执行多次，只是每次lock工作内存则被清空。lock可类比为Java的Lock对象。

讲完上面的存取过程，变量的原子性就很好讲了，原子性指对变量的存取过程顺序执行，要么执行完，要么不执行，不允许其他线程对其进行污染。而带有特殊含义的sychronzied和final关键字，就可以用原子性来解释：前者由于保障了unlock之前变量已同步到主内存，这里的变量指方法体或类中所有的；后者是避免构造器把this引用传递出去，因而像惰性气体一样稳定。

另外java的先行发生原则，很有意思，有以下几种表现形式

1、程序控制流顺序执行，即代码顺序执行

2、volitale和锁顺序执行，即前一个锁执行结束，后一个得到锁

3、Thread的start方法先于run方法内的方法执行

4、通过isAlive、interrupt和join方法判断线程是否存活

5、对象结束先于finilize方法执行

6、A先于B，B先于C，可得出A先于C执行的传递性。

最后再讲下volatile关键字，它有两个作用

1、保证改变后马上通知其他线程（执行write操作后，变量马上刷新），即对其他线程的可见性

2、保障上面所指丧心病狂的处理器处理此变量不被乱序操作，即禁止指令重排优化

但是volatile没有原子性（PS：原子性指read-assign-store这3组，只要一个执行，就会全部执行），不能保证作为计数器而正确存在；所以一般如果很少对它标识的变量进行改变的场景比较适用，比如多条线程共同执行多个有父类的任务，一个条件通知结束，则所有线程一起结束；就像劳动节来临，不论工程师还是设计师，都可以休息一天。

补充一点，64位的long和double无原子性，会被当成两个32位变量来处理，但一般默认为具有原子性，占用两个局部变量的位置

虚拟机运行时的数据区域有以下几种

虚拟机栈 主要存放引用和基本数据类型

堆 主要存放对象

方法区 常见的类信息除对象以外的所有，包括类信息（数据类型），常量池，方法、接口、静态变量等

本地方法栈 用来执行native方法

程序计数器 存储下一条需要执行的字节码指令，每条线程都有一个

虚拟机的多线程是通过线程切换并分配执行时间，同时一个内核在任一时刻只处理一条线程的指令

虚拟机栈和堆是线程共享的数据区，方法区、本地方法栈和程序计数器是线程所不能访问到的数据区

其中数据访问的方式有两种：一种是句柄形式，引用指向句柄，句柄包含对象地址和对象类型；一种是指针，直接存储对象地址，以句柄少一步，所以访问也会快一些，而HotSpot就是用这种；前者也有一定优化，值发生改变时，引用不用变，后者要改变指针才行。

内存异常有两种表现，一种叫OutOfMemoryError（内存溢出），请求的虚拟机扩展栈已无足够空间，分配给新对象，典型的标记-清理算法容易产品这种情况，另一种叫StackOverflowError(内存泄露)，请求的栈深度超过虚拟机所允许 ，例如下标超过数据大小，一般线程不同步会引起这种状况的产生。

接下来对中英文分别占多少字节进行解释

public static void main(String[] args) {
String[] charsetNames = { "utf-8", "utf-16", "UTF-16BE", "UTF-16LE", "UTF-32", "UTF-32BE", "UTF-32LE", "unicode", "GBK", "GB2312", "GB18030",
"ISO8859-1", "BIG5", "ASCII" };

for (int i = 0; i < charsetNames.length; i++) {
printByteLength(charsetNames[i]);
}
}

/**
public static void printByteLength(String charsetName) {
* String类的不带参数的getBytes()方法会以程序所运行平台的默认编码方式为准来进行转换，
* 在不同环境下可能会有不同的结果，因此建议使用指定编码方式的getBytes(String charsetName)方法。
*/
String a = "a"; // 一个英文字符
String b = "啊"; // 一个中文字符
try {
System.out.println();
System.out.println(charsetName + "编码英文字符所占字节数:" + a.getBytes(charsetName).length);
System.out.println(charsetName + "编码中文字符所占字节数:" + b.getBytes(charsetName).length);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
System.out.println("非法编码格式！");
}
}

String str1 = "hello";
String str2 = "hello";
System.out.println(str1 == str2); // 字符串的话是可以直接相等，跟int等其他数据类型一样
System.out.println(str1.equals(str2)); // 字符串的话是可以直接相等，跟int等其他数据类型一样

String strObj1 = new String("hello");
String strObj2 = new String("hello");
System.out.println(strObj1 == strObj2);// 值不等
System.out.println(strObj1.equals(strObj2));// 对象相等，因为char全相等

执行结果：

true
true
false
true

分析：拿String作为例子，其他容器类同样类似

public boolean equals(Object anObject) {
if (this == anObject) {
return true;
}
if (anObject instanceof String) {
String anotherString = (String)anObject;
int n = value.length;
if (n == anotherString.value.length) {
char v1[] = value;
char v2[] = anotherString.value;
int i = 0;
while (n-- != 0) {
if (v1[i] != v2[i])
return false;
i++;
}
return true;
}
}
return false;
}

首先判断是否是同一个对象，即两个引用指向同一个对象，那自然相等；

其次比较是否是同一种类型，如不等则返回false，如相等则继续；

最后比较内部的值，String的char，List的value，Map的key和value，如果完全相等则相等。