[转]从JVM角度看线程安全与垃圾收集

线程安全

Java内存模型中，程序（进程）拥有一块内存空间，可以被所有的线程共享，即MainMemory（主内存）；而每个线程又有一块独立的内存空间，即WorkingMemory（工作内存）。普通情况下，当线程需要对某一共享变量进行修改时，通常会进行如下的过程：

1.      从主内存中拷贝变量的一份副本，并装载到工作内存中；

2.      在工作内存中执行代码，修改副本的值；

3.      用工作内存中的副本值更新主存中的相关变量值。

如下图：

所谓“线程安全”，即多个线程同时执行同一段代码时，不会出现不确定的或者与单线程条件下不一致的结果。通常，下列三种条件居其一的并发访问被JVM认为是线程安全的：

1.      有final关键字修饰且已被赋值；

2.      有volatile关键字修饰；

3.      有锁保护（synchronized、ReentrantLock等）。

第1点显而易见，不再赘述。

volatile关键字的作用是告知JVM：它所修饰的域的原子操作都不需要经过线程的工作内存，而直接在主内存中进行修改。这样就保证了线程从主内存中读取（read）它的值的时候，总是最新的。但是，Java中的运算极少是原子的，即便是像++ 这样的一元运算符或者+= 这样的二元运算符都不是原子的，因此volatile关键字修饰的域在多线程环境下依然可能会读写出“脏”数据：它只保证每一步原子操作的线程安全，但不保证整个操作过程的线程安全。也因此，volatile主要被用于变量只有原子操作的场合，如赋值、移位等。

锁，无论是显式（ReentrantLock）还是隐式（synchronized）的同步锁，或是信号量（Semaphore），抑或是阻塞队列（BlockingQueue），还是其它的同步措施（CyclicBarrier、CountDownLatch、wait&notify等），它们的作用都是一样的，就是保证一个共享变量的副本进入到某个线程的工作内存之后，该共享变量就不再会被其它线程访问到，直到前述过程的第3步执行完成。

线程在有同步锁的情况下访问共享变量的过程如下：

1.      获取同步锁

2.      清空工作内存

3.      从主内存将拷贝变量副本，并装载到工作内存

4.      对副本执行代码

5.      用副本数据更新主内存中的相关变量

6.      释放同步锁

通常，没有获得同步锁的线程将被阻塞，直到它竞争到同步锁。这样，没有获得同步锁的线程不仅不能访问数据，甚至都不能继续运行，于是强迫性地保证了线程安全。也因此，线程安全代码的开销要大于不安全的代码，同步锁的开销也要大于volatile。

垃圾收集

上述线程运行的过程实际上是JVM的思维模型。JVM真正的逻辑内存模型如下图所示：

其中：

线程的工作内存位于JVM栈中。线程中的每个方法在运行的时候都会在栈中申请一个帧（frame），用来保存变量表、操作集、动态链接、出入口等信息。每个方法从调用到返回，就是它的帧在线程栈中从入栈到出栈的过程。

程序的主内存位于JVM堆。程序中的每一个实例或数据域都会被分配到堆中，并由所有线程共享（如果有权限的话）。线程从主内存中拷贝变量副本的过程，就是从堆中读取（read）该变量的数据，然后在自己的栈中创建（load）一个新的实例。可见，load之后，栈中的操作就与堆中的变量没有关系了。

线程PC用于寄存每个线程当前执行到的机器指令。本地方法栈用于调用JNI方法，并在方法调用结束后销毁。

Java的垃圾收集就是针对堆中的对象进行的。堆中按照对象的生命周期长短分为如下图的几个区域：

其中：

新生代（NewGeneration）分为两个区：Eden和Survivor；而Survivor区又分为了等大的两个区：S0和S1（或From和To）。新创建（new）的对象都会分配到Eden区中。当Eden区满时，会触发一次MinorGC，JVM会将Eden中存活的对象进行标记并拷贝到S0中，同时回收所有无效的对象。当S0满时，S0中存活的对象被拷贝到S1区，无效的对象被回收。当S1也满时，意味着整个新生代都满了，此时将触发一次MajorGC，新生代中部分存活的对象被标记后拷贝到老年代区中，无效的对象被回收，同时新生代中剩余的对象按一定的规则分配到Eden、S0、S1中。

老年代（OldGeneration）中保存的，是多次GC之后仍然存活的对象。在老年代区中，如果剩余的任一连续内存空间都不足以容纳一个对象时，需要对老年代区进行碎片压缩，此时程序将挂起。当老年代满时，将触发一次FullGC，它先对新生代发起一次MinorGC，再在老年代区标记清除无效的对象。

持久代（PermanentGeneration）也就是前图中堆内部的方法区。这里存放了程序中每个Class和ClassLoader以及一些常量的数据信息。其中又包含了常量池，用于保存常量数据、方法签名等在编译时就决定的不变量。持久代中通常极少、甚至不发生GC。

GC中的算法参见如下的链接：

http://www.cnblogs.com/aigongsi/archive/2012/04/06/2434771.html

http://www.cnblogs.com/aigongsi/archive/2012/04/13/2446166.html

转自:

http://blog.csdn.net/sadfishsc/article/details/10325879