JVM 主副内存 详解

在 JVM (Java Virtual Machine) 中，内存的设计主要分为主内存和工作内存（又称为线程内存）。这种设计是基于 Java 内存模型（Java Memory Model, JMM） 的规定，它确保了多线程环境下数据的一致性和线程间的通信。

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1. 主内存与工作内存的概念

1.1 主内存

• 主内存是所有线程共享的内存区域，主要存储程序中所有的实例对象和类变量。
• 它对应于 JVM 堆内存（Heap）和方法区（Method Area）。
• 主内存中的数据是线程共享的，因此线程之间通过主内存通信。

1.2 工作内存

• 工作内存是线程的私有区域，用于存储线程从主内存中拷贝的数据的副本。
• 它对应于线程栈（Thread Stack），存放线程独立的局部变量、操作栈和部分对象引用。
• 每个线程只能访问自己的工作内存，不能直接操作其他线程的工作内存。

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2. 主内存与工作内存的关系

主内存和工作内存的关系类似于共享内存与高速缓存之间的关系：

1. 线程对变量的所有操作（读取、写入）都必须先在工作内存中进行。

   • 线程从主内存将变量值读取到工作内存中。
   • 对变量的修改也会先在工作内存中完成，然后再同步回主内存。

2. 线程不能直接操作主内存中的变量，所有变量必须通过工作内存中转。

示意图

主内存 (共享变量)↑   ↓
工作内存 (线程1)↑   ↓
工作内存 (线程2)

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3. 主内存与工作内存的交互

JMM 定义了一组原子操作来完成主内存与工作内存之间的交互：

操作	描述
lock	把主内存中的变量标记为线程独占状态。
unlock	解除对主内存变量的独占状态，释放给其他线程使用。
read	从主内存中读取变量值到工作内存。
load	把工作内存中的变量加载到线程的工作内存中。
use	把工作内存中变量的值传递给执行引擎。
assign	把执行引擎的值赋值给工作内存中的变量。
store	把工作内存中的变量值写回主内存。
write	把主内存的变量值更新为工作内存中的值。

交互流程

以变量 x 为例：

1. 读取过程：线程从主内存中 read x，然后 load x 到工作内存。
2. 操作过程：线程在工作内存中 use x 或 assign x 进行计算。
3. 写入过程：线程将工作内存中 store x，然后 write x 更新到主内存。

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4. 主内存和工作内存的特点

4.1 主内存

• 线程共享：主内存是所有线程共享的，用于存储全局变量、类变量和堆上的对象。
• 数据一致性：主内存是线程间通信的桥梁，所有线程对共享变量的修改都必须最终同步到主内存。

4.2 工作内存

• 线程私有：工作内存是每个线程独立的，用于存储线程从主内存中拷贝的变量值。
• 临时存储：工作内存中的变量值只是主内存的一个副本，线程操作完成后需要同步回主内存。
• 提高效率：减少线程对主内存的频繁访问。

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5. 主内存与工作内存的典型问题

5.1 可见性问题

• 如果一个线程修改了变量的值，但没有及时刷新到主内存，其他线程无法感知到最新的变量值。
• 示例：

  public class VisibilityExample {private static boolean flag = true;public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {while (flag) {// 如果flag没有及时刷新到主内存，该线程可能无法退出循环}}).start();new Thread(() -> {flag = false; // 修改flag值，但未及时刷新到主内存}).start();}
  }
  

5.2 指令重排序问题

• JVM 或 CPU 可能会对代码的执行顺序进行优化，导致线程看到的操作顺序与程序代码不一致。
• 示例：

  public class ReorderingExample {private static boolean flag = false;private static int value = 0;public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {value = 42; // 可能先执行flag = true;}).start();new Thread(() -> {if (flag) {System.out.println(value); // 可能输出 0 而不是 42}}).start();}
  }
  

5.3 解决方法

• 使用 volatile：
  • 保证变量的可见性和禁止指令重排序。
• 使用同步机制：
  • 通过 synchronized 或锁机制来确保线程间的同步。

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6. 主内存与 JVM 内存结构的关系

主内存主要对应于以下 JVM 内存区域：

1. 堆内存（Heap）：
   • 存储对象实例，所有线程共享。
2. 方法区（Method Area）：
   • 存储类信息、常量池和静态变量，所有线程共享。

工作内存主要对应于以下 JVM 内存区域：

1. 线程栈（Thread Stack）：
   • 存储局部变量和操作栈，每个线程独立。
2. 程序计数器（Program Counter）：
   • 跟踪当前线程执行到的字节码指令，每个线程独立。

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7. 实际应用中的主内存与工作内存

7.1 可见性问题与 volatile

volatile 关键字确保变量的修改对所有线程可见，防止工作内存中的值与主内存不一致。

示例：

public class VolatileExample {private static volatile boolean flag = true;public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {while (flag) {// 保证线程可以感知flag的最新值}}).start();new Thread(() -> {flag = false; // 修改flag值}).start();}
}

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7.2 同步问题与 synchronized

synchronized 确保线程对共享资源的访问是互斥的，且修改后的变量会立即同步到主内存。

示例：

public class SynchronizedExample {private static int counter = 0;public static synchronized void increment() {counter++;}public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) increment();});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) increment();});t1.start();t2.start();try {t1.join();t2.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Counter: " + counter); // 输出: 2000}
}

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8. 总结

• 主内存：存储共享数据，所有线程可访问。
• 工作内存：线程私有，存储主内存变量的副本。
• 典型问题：可见性问题、指令重排序、竞态条件。
• 解决方法：使用 volatile 保证可见性，使用 synchronized 保证原子性和可见性。

这种主内存-工作内存的模型是 Java 内存模型的核心，帮助开发者在多线程环境下编写安全的并发程序。