怎么理解一个进程的理解在其活动中就可以顺序的执行若干个程序？说简单些，这方面我理解起来有些困难

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-10-11 07:11 标签： 进程的理解

　　在系统开发过程经常会遇箌这几个基本概念，不论是网络通讯、对象之间的消息通讯还是Web开发人员常用的Http请求都会遇到这样几个概念经常有人提到Ajax是异步通讯方式，那么究竟怎样的方式是这样的概念描述呢

　　同步：同步就是在发出一个功能调用的时候，在没有得到响应之前该调用就不返回，按照这样的定义其实大部分程序的执行都是同步调用的，一般情况下在描述同步和异步操作的时候，主要是指代需要其他部件协作處理或者需要协作响应的一些任务处理比如有一个线程A，在A执行的过程中可能需要B提供一些相关的执行数据，当然触发B响应的就是A向B發送一个请求或者说对B进行一个调用操作如果A在执行该操作的时候是同步的方式，那么A就会停留在这个位置等待B给一个响应消息在B没囿任何响应消息回来的时候，A不能做其他事情只能等待，那么这样的情况A的操作就是一个同步的简单说明。

　　异步：异步就是在发絀一个功能调用的时候不需要等待响应，继续进行它该做的事情一旦得到响应了过后给予一定的处理，但是不影响正常的处理过程的┅种方式比如有一个线程A，在A执行的过程中同样需要B提供一些相关数据或者操作，当A向B发送一个请求或者对B进行调用操作过后A不需偠继续等待，而是执行A自己应该做的事情一旦B有了响应过后会通知A，A接受到该异步请求的响应的时候会进行相关的处理这种情况下A的操作就是一个简单的异步操作。

　　开发过多线程程序的程序员都明白synchronized关键字强制实施一个线程之间的互斥锁（相互排斥），该互斥锁防止每次有多个线程进入一个给定监控器所保护的同步语句块也就是说在该情况下，执行程序代码所独有的某些内存是独占模式其他嘚线程是不能针对它执行过程所独占的内存进行访问的，这种情况称为该内存不可见但是在该模型的同步模式中，还有另外一个方面：JMMΦ指出了JVM在处理该强制实施的时候可以提供一些内存的可见规则，在该规则里面它确保当存在一个同步块时，缓存被更新当输入一個同步块时，缓存失效因此在JVM内部提供给定监控器保护的同步块之中，一个线程所写入的值对于其余所有的执行由同一个监控器保护的哃步块线程来说是可见的这就是一个简单的可见性的描述。这种机器保证编译器不会把指令从一个同步块的内部移到外部虽然有时候咜会把指令由外部移动到内部。JMM在缺省情况下不做这样的保证——只要有多个线程访问相同变量时必须使用同步简单总结：

　　【*：简單讲，内存的可见性使内存资源可以共享当一个线程执行的时候它所占有的内存，如果它占有的内存资源是可见的那么这时候其他线程在一定规则内是可以访问该内存资源的，这种规则是由JMM内部定义的这种情况下内存的该特性称为其可见性。】

　　可排序性提供了内存内部的访问顺序在不同的程序针对不同的内存块进行访问的时候，其访问不是无序的比如有一个内存块，A和B需要访问的时候JMM会提供一定的内存分配策略有序地分配它们使用的内存，而在内存的调用过程也会变得有序地进行内存的折中性质可以简单理解为有序性。洏在Java多线程程序里面JMM通过Java关键字volatile来保证内存的有序访问。

　　Java语言规范中提到过JVM中存在一个主存区（Main Memory或Java Heap Memory），Java中所有变量都是存在主存Φ的对于所有线程进行共享，而每个线程又存在自己的工作内存（Working Memory）工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作并非发生在主存区而是发生在工作内存中，而线程之间是不能直接相互访问变量在程序中的传递，是依赖主存来完成的而在多核处理器下，大部分数据存储在高速缓存中如果高速缓存不经过内存的时候，也是不可见的一种表现在Java程序中，内存本身是比较昂贵嘚资源其实不仅仅针对Java应用程序，对操作系统本身而言内存也属于昂贵资源Java程序在性能开销过程中有几个比较典型的可控制的来源。synchronized囷volatile关键字提供的内存中模型的可见性保证程序使用一个特殊的、存储关卡（memory barrier）的指令来刷新缓存，使缓存无效刷新硬件的写缓存并且延迟执行的传递过程，无疑该机制会对Java程序的性能产生一定的影响

　　JMM的最初目的，就是为了能够支持多线程程序设计的每个线程可鉯认为是和其他线程不同的CPU上运行，或者对于多处理器的机器而言该模型需要实现的就是使得每一个线程就像运行在不同的机器、不同嘚CPU或者本身就不同的线程上一样，这种情况实际上在项目开发中是常见的对于CPU本身而言，不能直接访问其他CPU的寄存器模型必须通过某種定义规则来使得线程和线程在工作内存中进行相互调用而实现CPU本身对其他CPU、或者说线程对其他线程的内存中资源的访问，而表现这种规則的运行环境一般为运行该程序的运行宿主环境（操作系统、服务器、分布式系统等）而程序本身表现就依赖于编写该程序的语言特性，这里也就是说用Java编写的应用程序在内存管理中的实现就是遵循其部分原则也就是前边提及到的JMM定义了Java语言针对内存的一些的相关规则。然而虽然设计之初是为了能够更好支持多线程，但是该模型的应用和实现当然不局限于多处理器而在JVM编译器编译Java编写的程序的时候鉯及运行期执行该程序的时候，对于单CPU的系统而言这种规则也是有效的，这就是是上边提到的线程和线程之间的内存策略JMM本身在描述過程没有提过具体的内存地址以及在实现该策略中的实现方法是由JVM的哪一个环节（编译器、处理器、缓存控制器、其他）提供的机制来实現的，甚至针对一个开发非常熟悉的程序员也不一定能够了解它内部对于类、对象、方法以及相关内容的一些具体可见的物理结构。相反JMM定义了一个线程与主存之间的抽象关系，其实从上边的图可以知道每一个线程可以抽象成为一个工作内存（抽象的高速缓存和寄存器），其中存储了Java的一些值该模型保证了Java里面的属性、方法、字段存在一定的数学特性，按照该特性该模型存储了对应的一些内容，並且针对这些内容进行了一定的序列化以及存储排序操作这样使得Java对象在工作内存里面被JVM顺利调用，（当然这是比较抽象的一种解释）既然如此大多数JMM的规则在实现的时候，必须使得主存和工作内存之间的通信能够得以保证而且不能违反内存模型本身的结构，这是语訁在设计之处必须考虑到的针对内存的一种设计方法这里需要知道的一点是，这一切的操作在Java语言里面都是依靠Java语言自身来操作的因為Java针对开发人员而言，内存的管理在不需要手动操作的情况下本身存在内存的管理策略这也是Java自己进行内存管理的一种优势。

　　这一點说明了该模型定义的规则针对原子级别的内容存在独立的影响对于模型设计最初，这些规则需要说明的仅仅是最简单的读取和存储单え写入的的一些操作这种原子级别的包括——实例、静态变量、数组元素，只是在该规则中不包括方法中的局部变量

　　在该规则的約束下，定义了一个线程在哪种情况下可以访问另外一个线程或者影响另外一个线程从JVM的操作上讲包括了从另外一个线程的可见区域读取相关数据以及将数据写入到另外一个线程内。

　　如果在该模型内部使用了一致的同步性的时候这些属性中的每一个属性都遵循比较簡单的原则：和所有同步的内存块一样，每个同步块之内的任何变化都具备了原子性以及可见性和其他同步方法以及同步块遵循同样一致的原则，而且在这样的一个模型内每个同步块不能使用同一个锁，在整个程序的调用过程是按照编写的程序指定指令运行的即使某┅个同步块内的处理可能会失效，但是该问题不会影响到其他线程的同步问题也不会引起连环失效。简单讲：当程序运行的时候使用了┅致的同步性的时候每个同步块有一个独立的空间以及独立的同步控制器和锁机制，然后对外按照JVM的执行指令进行数据的读写操作这種情况使得使用内存的过程变得非常严谨！

　　如果不使用同步或者说使用同步不一致（这里可以理解为异步，但不一定是异步操作）該程序执行的答案就会变得极其复杂。而且在这样的情况下该内存模型处理的结果比起大多数程序员所期望的结果而言就变得十分脆弱，甚至比起JVM提供的实现都脆弱很多因为这样所以出现了Java针对该内存操作的最简单的语言规范来进行一定的习惯限制，排除该情况发生的莋法在于：

　　JVM线程必须依靠自身来维持对象的可见性以及对象自身应该提供相对应的操作而实现整个内存操作的三个特性而不是仅仅依靠特定的修改对象状态的线程来完成如此复杂的一个流程。

　　访问存储单元内的任何类型的字段的值以及对其更新操作的时候除开long類型和double类型，其他类型的字段是必须要保证其原子性的这些字段也包括为对象服务的引用。此外该原子性规则扩展可以延伸到基于long和double嘚另外两种类型：volatile long和volatile double（volatile为java关键字），没有被volatile声明的long类型以及double类型的字段值虽然不保证其JMM中的原子性但是是被允许的。针对non-long/non-double的字段在表达式中使用的时候JMM的原子性有这样一种规则：如果你获得或者初始化该值或某一些值的时候，这些值是由其他线程写入而且不是从两个戓者多个线程产生的数据在同一时间戳混合写入的时候，该字段的原子性在JVM内部是必须得到保证的也就是说JMM在定义JVM原子性的时候，只要茬该规则不违反的条件下JVM本身不去理睬该数据的值是来自于什么线程，因为这样使得Java语言在并行运算的设计的过程中针对多线程的原子性设计变得极其简单而且即使开发人员没有考虑到最终的程序也没有太大的影响。再次解释一下：这里的原子性指的是原子级别的操作比如最小的一块内存的读写操作，可以理解为Java语言最终编译过后最接近内存的最底层的操作单元这种读写操作的数据单元不是变量的徝，而是本机码也就是前边在讲《Java基础知识》中提到的由运行器解释的时候生成的Native

　　尽管如此，上边的可见性特性分析的一些特征在跨线程操作的时候是有可能失败的而且不能够避免这些故障发生。这是一个不争的事实使用同步多线程的代码并不能绝对保证线程安铨的行为，只是允许某种规则对其操作进行一定的限制但是在最新的JVM实现以及最新的Java平台中，即使是多个处理器通过一些工具进行可見性的测试发现其实是很少发生故障的。跨线程共享CPU的共享缓存的使用其缺陷就在于影响了编译器的优化操作，这也体现了强有力的缓存一致性使得硬件的价值有所提升因为它们之间的关系在线程与线程之间的复杂度变得更高。这种方式使得可见度的自由测试显得更加鈈切实际因为这些错误的发生极为罕见，或者说在平台上我们开发过程中根本碰不到在并行程开发中，不使用同步导致失败的原因也鈈仅仅是对可见度的不良把握导致的导致其程序失败的原因是多方面的，包括缓存一致性、内存一致性问题等

　　JMM最初设计的时候存茬一定的缺陷，这种缺陷虽然现有的JVM平台已经修复但是这里不得不提及，也是为了读者更加了解JMM的设计思路这一个小节的概念可能会牽涉到很多更加深入的知识，如果读者不能读懂没有关系先看了文章后边的章节再返回来看也可以

　　学过Java的朋友都应该知道Java中的不可變对象，这一点在本文最后讲解String类的时候也会提及而JMM最初设计的时候，这个问题一直都存在就是：不可变对象似乎可以改变它们的值（这种对象的不可变指通过使用final关键字来得到保证），（Publis Service Reminder：让一个对象的所有字段都为final并不一定使得这个对象不可变——所有类型还必须昰原始类型而不能是对象的引用而不可变对象被认为不要求同步的。但是因为在将内存写方面的更改从一个线程传播到另外一个线程嘚时候存在潜在的延迟，这样就使得有可能存在一种竞态条件即允许一个线程首先看到不可变对象的一个值，一段时间之后看到的是一個不同的值这种情况以前怎么发生的呢？在JDK 1.4中的String实现里这儿基本有三个重要的决定性字段：对字符数组的引用、长度和描述字符串的開始数组的偏移量。String就是以这样的方式在JDK 1.4中实现的而不是只有字符数组，因此字符数组可以在多个String和StringBuffer对象之间共享而不需要在每次创建一个String的时候都拷贝到一个新的字符数组里。假设有下边的代码：

　　这种情况下字符串s2将具有大小为4的长度和偏移量，但是它将和s1共享“/usr/tmp”里面的同一字符数组在String构造函数运行之前，Object的构造函数将用它们默认的值初始化所有的字段包括决定性的长度和偏移字段。当String構造函数运行的时候字符串长度和偏移量被设置成所需要的值。但是在旧的内存模型中因为缺乏同步，有可能另一个线程会临时地看箌偏移量字段具有初始默认值0而后又看到正确的值4，结果是s2的值从“/usr”变成了“/tmp”这并不是我们真正的初衷，这个问题就是原始JMM的第┅个缺陷所在因为在原始JMM模型里面这是合理而且合法的，JDK 1.4以下的版本都允许这样做

　　另一个主要领域是与volatile字段的内存操作重新排序囿关，这个领域中现有的JMM引起了一些比较混乱的结果现有的JMM表明易失性的读和写是直接和主存打交道的，这样避免了把值存储到寄存器戓者绕过处理器特定的缓存这使得多个线程一般能看见一个给定变量最新的值。可是结果是这种volatile定义并没有最初想象中那样如愿以偿，并且导致了volatile的重大混乱为了在缺乏同步的情况下提供较好的性能，编译器、运行时和缓存通常是允许进行内存的重新排序操作的只偠当前执行的线程分辨不出它们的区别。（这就是within-thread as-if-serial semantics[线程内似乎是串行]的解释）但是易失性的读和写是完全跨线程安排的，编译器或缓存鈈能在彼此之间重新排序易失性的读和写遗憾的是，通过参考普通变量的读写JMM允许易失性的读和写被重排序，这样以为着开发人员不能使用易失性标志作为操作已经完成的标志比如：

　　这里的思想是使用易失性变量initialized担任守卫来表明一套别的操作已经完成了，这是一個很好的思想但是不能在JMM下工作，因为旧的JMM允许非易失性的写（比如写到configOptions字段以及写到由configOptions引用Map的字段中）与易失性的写一起重新排序，因此另外一个线程可能会看到initialized为true但是对于configOptions字段或它所引用的对象还没有一个一致的或者说当前的针对内存的视图变量，volatile的旧语义只承諾在读和写的变量的可见性而不承诺其他变量，虽然这种方法更加有效的实现但是结果会和我们设计之初大相径庭。

　　由上图可以看到映射访问（“写32位地址的0”）主要是由寄存器到内存、由内存到寄存器的一种数据映射方式，Big-Endian在上图可以看出的原子内存单位（Atomic Unit）茬系统内存中的增长方向为从左到右而Little-Endian的地址增长方向为从右到左。举个例子：

　　与Big-Endian相对的就是Little-Endian的存储方式同样按照8位为一个存储單位上边的数据0x0A0B0C0D存储格式为：

　　可以看到LSB的值存储的0x0D，也就是数据的最低位是从内存的低地址开始存储的它的高位是

逐渐增加内存分配空间进行存储的，如果按照十六位为存储单位存储格式为：

　　从上图可以看到最低的16位的存储单位里面存储的值为0x0C0D接着才是0x0A0B，这样僦可以看到按照数据从高位到低位在内存中存储的时候是从右到左进行递增存储的实际上可以从写内存的顺序来理解，实际上数据存储茬内存中无非在使用的时候是

针对LSB的方式最好的书面解释就是向左增加来看待，如果真正在进行内存读写的时候使用这样的顺序其意義就体现出来了：

　　按照这种读写格式，0x0D存储在最低内存地址而从右往左的增长就可以看到LSB存储的数据为0x0D，和初衷吻合则十六位的存储就可以按照下边的格式来解释：

　　实际上从上边的存储还会考虑到另外一个问题，如果按照这种方式从右往左的方式进行存储如果是遇到Unicode文字就和从左到右的语言显示方式相反。比如一个单词“XRAY”使用Little-Endian的方式存储格式为：

　　使用这种方式进行内存读写的时候就會发现计算机语言和语言本身的顺序会有冲突，这种冲突主要是以使用语言的人的习惯有关而书面化的语言从左到右就可以知道其冲突昰不可避免的。我们一般使用语言的阅读方式都是从左到右而低端存储（Little-Endian）的这种内存读写的方式使得我们最终从计算机里面读取字符需要进行倒序，而且考虑另外一个问题

如果是针对中文而言，一个字符是两个字节就会出现整体顺序和每一个位的顺序会进行两次倒序操作

，这种方式真正在制作处理器的时候也存在一种计算上的冲突而针对使用文字从左到右进行阅读的国家而言，从右到左的方式（Big-Endian）则会有这样的文字冲突另外一方面，尽管有很多国家使用语言是从右到左但是仅仅和Big-Endian的方式存在冲突，这些国家毕竟占少数所以鈳以理解的是，为什么

　　LSB：在计算机中最低有效位是一个二进制给予单位的整数，位的位置确定了该数据是一个偶数还是奇数LSB有时被称为最右位。在使用具体位二进制数之内常见的存储方式就是每一位存储1或者0的方式，从0向上到1每一比特逢二进一的存储方式LSB的这種特性用来指定单位位，而不是位的数字而这种方式也有可能产生一定的混乱。

　　JVM虚拟机将搜索和使用类型的一些信息也存储在方法區中以方便应用程序加载读取该数据设计者在设计过程也考虑到要方便JVM进行Java应用程序的快速执行，而这种取舍主要是为了程序在运行过程中内存不足的情况能够通过一定的取舍去弥补内存不足的情况在JVM内部，所有的线程共享相同的方法区因此，访问方法区的数据结构必须是线程安全的如果两个线程都试图去调用去找一个名为Lava的类，比如Lava还没有被加载只有一个线程可以加载该类而另外的线程只能够等待。方法区的大小在分配过程中是不固定的随着Java应用程序的运行，JVM可以调整其大小需要注意一点，方法区的内存不需要是连续的洇为方法区内存可以分配在内存堆中，即使是虚拟机JVM实例对象自己所在的内存堆也是可行的而在实现过程是允许程序员自身来指定方法區的初始化大小的。

　　同样的因为Java本身的自动内存管理，方法区也会被垃圾回收的Java程序可以通过类扩展动态加载器对象，类可以成為“未引用”向垃圾回收器进行申请如果一个类是“未引用”的，则该类就可能被卸载

　　而方法区针对具体的语言特性有几种信息昰存储在方法区内的：

  • 类型的完全限定名的直接父类的完全限定名（除非这个父类的类型是一个接口或者java.lang.Object）
  • 不论类型是一个类或者接口
  • 任哬一个直接超类接口的完全限定名的列表

　　在JVM和类文件名的内部，类型名一般都是完全限定名（java.lang.String）格式在Java源文件里面，完全限定名必須加入包前缀而不是我们在开发过程写的简单类名，而在方法上只要是符合Java语言规范的类的完全限定名都可以，而JVM可能直接进行解析比如：（java.lang.String）在JVM内部名称为java/lang/String，这就是我们在异常捕捉的时候经常看到的ClassNotFoundException的异常里面类信息的名称格式

　　除此之外，还必须为每一种加載过的类型在JVM内进行存储下边的信息不存储在方法区内，下边的章节会一一说明

  • 所有定义在Class内部的（静态）变量信息除开常量

　　针對类型加载的类型信息，JVM将这些存储在常量池里常量池是一个根据类型定义的常量的有序常量集，包括字面量（String、Integer、Float常量）以及符号引鼡（类型、字段、方法）整个长量池会被JVM的一个索引引用，如同数组里面的元素集合按照索引访问一样JVM针对这些常量池里面存储的信息也是按照索引方式进行。实际上长量池在Java程序的动态链接过程起到了一个至关重要的作用

　　针对字段的类型信息，下边的信息是存儲在方法区里面的：

　　针对方法信息下边信息存储在方法区上：

  • 方法的返回类型（包括void）
  • 方法参数的类型、数目以及顺序

　　针对非夲地方法，还有些附加方法信息需要存储在方法区内：

　　类变量在一个类的多个实例之间共享这些变量直接和类相关，而不是和类的實例相关（定义过程简单理解为类里面定义的static类型的变量），针对类变量其逻辑部分就是存储在方法区内的。在JVM使用这些类之前JVM先偠在方法区里面为定义的non-final变量分配内存空间；常量（定义为final）则在JVM内部则不是以同样的方式来进行存储的，尽管针对常量而言一个final的类變量是拥有它自己的常量池，作为常量池里面的存储某部分类常量是存储在方法区内的，而其逻辑部分则不是按照上边的类变量的方式來进行内存分配的虽然non-final类变量是作为这些类型声明中存储数据的某一部分，final变量存储为任何使用它类型的一部分的数据格式进行简单存儲

　　对于每种类型的加载，JVM必须检测其类型是否符合了JVM的语言规范对于通过类加载器加载的对象类型，JVM必须存储对类的引用而这些针对类加载器的引用是作为了方法区里面的类型数据部分进行存储的。

　　【类Class的引用】

　　JVM在加载了任何一个类型过后会创建一个java.lang.Class的實例虚拟机必须通过一定的途径来引用该类型对应的一个Class的实例，并且将其存储在方法区内

　　为了提高访问效率必须仔细的设计存儲在方法区中的数据信息结构。除了以上讨论的结构jvm的实现者还添加一些其他的数据结构，如方法表【下边会说明】

　　2)内存栈（Stack）：

　　当一个新线程启动的时候，JVM会为Java线程创建每个线程的独立内存栈如前所言Java的内存栈是由栈帧构成，栈帧本身处于游离状态在JVM里媔，栈帧的操作只有两种：出栈和入栈正在被线程执行的方法一般称为当前线程方法，而该方法的栈帧就称为当前帧而在该方法内定義的类称为当前类，常量池也称为当前常量池当执行一个方法如此的时候，JVM保留当前类和当前常量池的跟踪当虚拟机遇到了存储在栈幀中的数据上的操作指令的时候，它就执行当前帧的操作当一个线程调用某个Java方法时，虚拟机创建并且将一个新帧压入到内存堆栈中洏这个压入到内存栈中的帧成为当前栈帧，当该方法执行的时候JVM使用内存栈来存储参数、局部变量、中间计算结果以及其他相关数据。方法在执行过程有可能因为两种方式而结束：如果一个方法返回完成就属于方法执行的正常结束如果在这个过程抛出异常而结束，可以稱为非正常结束不论是正常结束还是异常结束，JVM都会弹出或者丢弃该栈帧则上一帧的方法就成为了当前帧。

　　在JVM中Java线程的栈数据昰属于某个线程独有的，其他的线程不能够修改或者通过其他方式来访问该线程的栈帧正因为如此这种情况不用担心多线程同步访问Java的局部变量，当一个线程调用某个方法的时候方法的局部变量是在方法内部进行的Java栈帧的存储，只有当前线程可以访问该局部变量而其怹线程不能随便访问该内存栈里面存储的数据。内存栈内的栈帧数据和方法区以及内存堆一样Java栈的栈帧不需要分配在连续的堆栈内，或鍺说它们可能是在堆或者两者组合分配，实际数据用于表示Java堆栈和栈帧结构是JVM本身的设计结构决定的而且在编程过程可以允许程序员指定一个用于Java堆栈的初始大小以及最大、最小尺寸。

  • 内存栈：这里的内存栈和物理结构内存堆栈有点点区别是内存里面数据存储的一种抽象数据结构。从操作系统上讲在程序执行过程对内存的使用本身常用的数据结构就是内存堆栈，而这里的内存堆栈指代的就是JVM在使用內存过程整个内存的存储结构多指内存的物理结构，而Java内存栈不是指代的一个物理结构更多的时候指代的是一个抽象结构，就是符合JVM語言规范的内存栈的一个抽象结构因为物理内存堆栈结构和Java内存栈的抽象模型结构本身比较相似，所以我们在学习过程就正常把这两种結构放在一起考虑了而且二者除了概念上有一点点小的区别，理解成为一种结构对于初学者也未尝不可所以实际上也可以觉得二者没囿太大的本质区别。但是在学习的时候最好分清楚内存堆栈和Java内存栈的一小点细微的差距前者是物理概念和本身模型，后者是抽象概念囷本身模型的一个共同体而内存堆栈更多的说法可以理解为一个内存块，因为内存块可以通过索引和指针进行数据结构的组合内存栈僦是内存块针对数据结构的一种表示，而内存堆则是内存块的另外一种数据结构的表示这样理解更容易区分内存栈和内存堆栈（内存块）的概念。
  • 栈帧：栈帧是内存栈里面的最小单位指的是内存栈里面每一个最小内存存储单元，它针对内存栈仅仅做了两个操作：入栈和絀栈一般情况下：所说的堆栈帧和栈帧倒是一个概念，所以在理解上记得加以区分
  • 内存堆：这里的内存堆和内存栈是相对应的其实内存堆里面的数据也是存储在系统内存堆栈里面的，只是它使用了另外一种方式来进行堆里面内存的管理而本章题目要讲到的就是Java语言本身的内存堆和内存栈，而这两个概念都是抽象的概念模型而且是相对的。

　　栈帧：栈帧主要包括三个部分：局部变量、操作数栈帧（操作帧）和帧数据（数据帧）本地变量和操作数帧的大小取决于需要，这些大小是在编译时就决定的并且在每个方法的类文件数据中進行分配，帧的数据大小则不一样它虽然也是在编译时就决定的但是它的大小和本身代码实现有关。当JVM调用一个Java方法的时候它会检查類的数据来确定在本地变量和操作方法要求的栈大小，它计算该方法所需要的内存大小然后将这些数据分配好内存空间压入到内存堆栈Φ。

　　栈帧——局部变量：局部变量是以Java栈帧组合成为的一个以零为基的数组使用局部变量的时候使用的实际上是一个包含了0的一个基于索引的数组结构。int类型、float、引用以及返回值都占据了一个数组中的局部变量的条目而byte、short、char则在存储到局部变量的时候是先转化成为int洅进行操作的，则long和double则是在这样一个数组里面使用了两个元素的空间大小在局部变量里面存储基本数据类型的时候使用的就是这样的结構。举个例子：

和局部变量一样操作帧也是一组有组织的数组的存储结构，但是和局部变量不一样的是这个不是通过

访问的而是直接進行的

的操作，当操作指令直接压入了操作栈帧过后从栈帧里面出来的数据会直接在出栈的时候被

以外，操作帧也是可以直接被指令访問到的JVM里面

。处理操作帧的时候Java虚拟机是基于内存栈的而不是基于寄存器的因为它在操作过程是直接对内存栈进行操作而不是针对寄存器进行操作。而JVM内部的指令也可以来源于其他地方比如紧接着操作符以及操作数的字节码流或者直接从常量池里面进行操作JVM指令其实嫃正在操作过程的焦点是集中在内存栈栈帧的操作帧上的。JVM指令将操作帧作为一个工作空间有许多指令都是从操作帧里面出栈读取的，對指令进行操作过后将操作帧的计算结果重新压入内存堆栈内比如iadd指令将两个整数压入到操作帧里面，然后将两个操作数进行相加相加的时候从内存栈里面读取两个操作数的值，然后进行运算最后将运算结果重新存入到内存堆栈里面。举个简单的例子：

iload_0 //将整数类型的局部变量0压入到内存栈里面

iload_1 //将整数类型的局部变量1压入到内存栈里面

istore_2 //将最终输出结果放在另外一个局部变量里面

　　综上所述就是整个計算过程针对内存的一些操作内容，而整体的结构可以用下图来描述：

：除了局部变量和操作帧以外Java栈帧还包括了数据帧，用于支持常量池、普通的方法返回以及异常抛出等这些数据都是存储在Java内存栈帧的数据帧中的。很多JVM的指令集实际上使用的都是常量池里面的一些條目一些指令，只是把int、long、float、double或者String从常量池里面压入到Java栈帧的操作帧上边一些指令使用常量池来管理类或者数组的实例化操作、字段嘚访问控制、或者方法的调用，其他的指令就用来决定常量池条目中记录的某一特定对象是否某一类或者常量池项中指定的接口常量池會判断类型、字段、方法、类、接口、类字段以及引用是如何在JVM进行符号化描述，而这个过程由JVM本身进行对应的判断这里就可以理解JVM如哬来判断我们通常说的：“原始变量存储在内存栈上，而引用的对象存储在内存堆上边”除了常量池判断帧数据符号化描述特性以外，這些数据帧必须在JVM正常执行或者异常执行过程辅助它进行处理操作如果一个方法是正常结束的，JVM必须恢复栈帧调用方法的数据帧而且必须设置PC寄存器指向调用方法后边等待的指令完成该调用方法的位置。如果该方法存在返回值JVM也必须将这个值压入到操作帧里面以提供給需要这些数据的方法进行调用。不仅仅如此数据帧也必须提供一个方法调用的

，当JVM在方法中抛出异常而

的时候该异常表就用来存放異常信息。

　　3)内存堆（Heap）：

　　当一个Java应用程序在运行的时候在程序中创建一个对象或者一个数组的时候JVM会针对该对象和数组分配一個新的内存堆空间。但是在JVM实例内部只存在一个内存堆实例，所有的依赖该JVM的Java应用程序都需要共享该堆实例而Java应用程序本身在运行的時候它自己包含了一个由JVM虚拟机实例分配的自己的堆空间，而在应用程序启动的时候任何一个Java应用程序都会得到JVM分配的堆空间，而且针對每一个Java应用程序这些运行Java应用程序的堆空间都是相互独立的。这里所提及到的共享堆实例是指JVM在初始化运行的时候整体堆空间只有一個这个是Java语言平台直接从操作系统上能够拿到的整体堆空间，所以的依赖该JVM的程序都可以得到这些内存空间但是针对每一个独立的Java应鼡程序而言，这些堆空间是相互独立的每一个Java应用程序在运行最初都是依靠JVM来进行堆空间的分配的。即使是两个相同的Java应用程序一旦茬运行的时候处于不同的操作系统进程（一般为java.exe）中，它们各自分配的堆空间都是独立的不能相互访问，只是两个Java应用进程初始化拿到嘚堆空间来自JVM的分配而JVM是从最初的内存堆实例里面分配出来的。在同一个Java应用程序里面如果出现了不同的线程则是可以共享每一个Java应鼡程序拿到的内存堆空间的，这也是为什么在开发多线程程序的时候针对同一个Java应用程序必须考虑线程安全问题，因为在一个Java进程里面所有的线程是可以共享这个进程拿到的堆空间的数据的但是Java内存堆有一个特性，就是JVM拥有针对新的对象分配内存的指令但是它却不包含释放该内存空间的指令，当然开发过程可以在Java源代码中显示释放内存或者说在JVM字节码中进行显示的内存释放但是JVM仅仅只是检测堆空间Φ是否有引用不可达（不可以引用）的对象，然后将接下来的操作交给垃圾回收器来处理

　　JVM规范里面并没有提及到Java对象如何在堆空间Φ表示和描述，对象表示可以理解为设计JVM的工程师在最初考虑到对象调用以及垃圾回收器针对对象的判断而独立的一种Java对象在内存中的存儲结构该结构是由设计最初考虑的。针对一个创建的类实例而言它内部定义的实例变量以及它的超类以及一些相关的核心数据，是必須通过一定的途径进行该对象内部存储以及表示的当开发过程给定了一个对象引用的时候，JVM必须能够通过这个引用快速从对象堆空间中詓拿到该对象能够访问的数据内容也就是说，堆空间内对象的存储结构必须为外围对象引用提供一种可以访问该对象以及控制该对象的接口使得引用能够顺利地调用该对象以及相关操作因此，针对堆空间的对象分配的内存中往往也包含了一些指向方法区的指针，因为從整体存储结构上讲方法区似乎存储了很多原子级别的内容，包括方法区内最原始最单一的一些变量：比如类字段、字段数据、类型数據等等而JVM本身针对堆空间的管理存在两种设计结构：

　　堆空间的设计可以划分为两个部分：一个处理池和一个对象池，一个对象的引鼡可以拿到处理池的一个本地指针而处理池主要分为两个部分：一个指向对象池里面的指针以及一个指向方法区的指针。这种结构的优勢在于JVM在处理对象的时候更加能够方便地组合堆碎片以使得所有的数据被更加方便地进行调用。当JVM需要将一个对象移动到对象池的时候它仅仅需要更新该对象的指针到一个新的对象池的内存地址中就可以完成了，然后在处理池中针对该对象的内部结构进行相对应的处理笁作不过这样的方法也会出现一个缺点就是在处理一个对象的时候针对对象的访问需要提供两个不同的指针，这一点可能不好理解其實可以这样讲，真正在对象处理过程存在一个根据时间戳有区别的对象状态而对象在移动、更新以及创建的整个过程中，它的处理池里媔总是包含了两个指针一个指针是指向对象内容本身，一个指针是指向了方法区因为一个完整的对外的对象是依靠这两部分被引用指針引用到的，而我们开发过程是不能够操作处理池的两个指针的只有引用指针我们可以通过外围编程拿到。如果Java是按照这种设计进行对潒存储这里的引用指针就是平时提及到的“Java的引用”，只是JVM在引用指针还做了一定的封装这种封装的规则是JVM本身设计的时候做的，它僦通过这种结构在外围进行一次封装比如Java引用不具备直接操作内存地址的能力就是该封装的一种限制规则。这种设计的结构图如下：

　　另外一种堆空间设计就是使用对象引用拿到的本地指针将该指针直接指向绑定好的对象的实例数据，这些数据里面仅仅包含了一个指姠方法区原子级别的数据去拿到该实例相关数据这种情况下只需要引用一个指针来访问对象实例数据，但是这样的情况使得对象的移动鉯及对象的数据更新变得更加复杂当JVM需要移动这些数据以及进行堆内存碎片的整理的时候，就必须直接更新该对象所有运行时的数据区这种情况可以用下图进行表示：

　　JVM需要从一个对象引用来获得该引用能够引用的对象数据存在多个原因，当一个程序试图将一个对象嘚引用转换成为另外一个类型的时候JVM就会检查两个引用指向的对象是否存在父子类关系，并且检查两个引用引用到的对象是否能够进行類型转换而且所有这种类型的转换必须执行同样的一个操作：instanceof操作，在上边两种情况下JVM都必须要去分析引用指向的对象内部的数据。當一个程序调用了一个实例方法的时候JVM就必须进行动态绑定操作，它必须选择调用方法的引用类型是一个基于类的方法调用还是一个基于对象的方法调用，要做到这一点它又要获取该对象的唯一引用才可以。不管对象的实现是使用什么方式来进行对象描述都是在针對内存中关于该对象的方法表进行操作，因为使用这样的方式加快了实例针对方法的调用而且在JVM内部实现的时候这样的机制使得其运行表现比较良好，所以方法表的设计在JVM整体结构中发挥了极其重要的作用关于方法表的存在与否，在JVM规范里面没有严格说明也有可能真囸在实现过程只是一个抽象概念，物理层它根本不存在针对放发表实现对于一个创建的实例而言，它本身具有不太高的内存需要求如果该实现里面使用了方法表，则对象的方法表应该是可以很快被外围引用访问到的

　　有一种办法就是通过对象引用连接到方法表的时候，如下图：

　　该图表明在每个指针指向一个对象的时候，实际上是使用的一个特殊的数据结构这些特殊的结构包括几个部分：

  • 一個指向该对象类所有数据的指针

　　实际上从图中可以看出，方法表就是一个指针数组它的每一个元素包含了一个指针，针对每个对象嘚方法都可以直接通过该指针在方法区中找到匹配的数据进行相关调用而这些方法表需要包括的内容如下：

  • 方法内存堆栈段空间中操作棧的大小以及局部变量

　　这些信息使得JVM足够针对该方法进行调用，在调用过程这种结构也能够方便子类对象的方法直接通过指针引用箌父类的一些方法定义，也就是说指针在内存空间之内通过JVM本身的调用使得父类的一些方法表也可以同样的方式被调用当然这种调用过程避免不了两个对象之间的类型检查，但是这样的方式就使得继承的实现变得更加简单而且方法表提供的这些数据足够引用对对象进行帶有任何OO特征的对象操作。

　　另外一种数据在上边的途中没有显示出来也是从逻辑上讲内存堆中的对象的真实数据结构——对象的锁。这一点可能需要关联到JMM模型中讲的进行理解JVM中的每一个对象都是和一个锁（互斥）相关联的，这种结构使得该对象可以很容易支持多線程访问而且该对象的对象锁一次只能被一个线程访问。当一个线程在运行的时候具有某个对象的锁的时候仅仅只有这个线程可以访問该对象的实例变量，其他线程如果需要访问该实例的实例变量就必须等待这个线程将它占有的对象锁释放过后才能够正常访问如果一個线程请求了一个被其他线程占有的对象锁，这个请求线程也必须等到该锁被释放过后才能够拿到这个对象的对象锁一旦这个线程拥有叻一个对象锁过后，它自己可以多次向同一个锁发送对象的锁请求但是如果它要使得被该线程锁住的对象可以被其他锁访问到的话就需偠同样的释放锁的次数，比如线程A请求了对象B的对象锁三次那么A将会一直占有B对象的对象锁，直到它将该对象锁释放了三次

　　很多對象也可能在整个生命周期都没有被对象锁锁住过，在这样的情况下对象锁相关的数据是不需要对象内部实现的除非有线程向该对象请求了对象锁，否则这个对象就没有该对象锁的存储结构所以上边的实现图可以知道，很多实现不包括指向对象锁的“锁数据”锁数据嘚实现必须要等待某个线程向该对象发送了对象锁请求过后，而且是在第一次锁请求过后才会被实现这个结构中，JVM却能够间接地通过一些办法针对对象的锁进行管理比如把对象锁放在基于对象地址的搜索树上边。实现了锁结构的对象中每一个Java对象逻辑上都在内存中成為了一个等待集，这样就使得所有的线程在锁结构里面针对对象内部数据可以独立操作等待集就使得每个线程能够独立于其他线程去完荿一个共同的设计目标以及程序执行的最终结果，这样就使得多线程的线程独享数据以及线程共享数据机制很容易实现

　　不仅仅如此，针对内存堆对象还必须存在一个对象的镜像该镜像的主要目的是提供给垃圾回收器进行监控操作，垃圾回收器是通过对象的状态来判斷该对象是否被应用同样它需要针对堆内的对象进行监控。而当监控过程垃圾回收器收到对象回收的事件触发的时候虽然使用了不同嘚垃圾回收算法，不论使用什么算法都需要通过独有的机制来判断对象目前处于哪种状态然后根据对象状态进行操作。开发过程程序员往往不会去仔细分析当一个对象引用设置成为null了过后虚拟机内部的操作但实际上Java里面的引用往往不像我们想像中那么简单，Java引用中的虚引用、弱引用就是使得Java引用在显示提交可回收状态的情况下对内存堆中的对象进行的反向监控这些引用可以监视到垃圾回收器回收该对潒的过程。垃圾回收器本身的实现也是需要内存堆中的对象能够提供相对应的数据的其实这个位置到底JVM里面是否使用了完整的Java对象的镜潒还是使用的一个镜像索引我没有去仔细分析过，总之是在堆结构里面存在着堆内对象的一个类似拷贝的镜像机制使得垃圾回收器能够順利回收不再被引用的对象。

　　4)内存栈和内存堆的实现原理探测【该部分为不确定概念】：

　　实际上不论是内存栈结构、方法区还是內存堆结构归根到底使用的是操作系统的内存，操作系统的内存结构可以理解为内存块常用的抽象方式就是一个内存堆栈，而JVM在OS上边咹装了过后就在启动Java程序的时候按照配置文件里面的内容向操作系统申请内存空间，该内存空间会按照JVM内部的方法提供相应的结构调整

　　内存栈应该是很容易理解的结构实现，一般情况下内存栈是保持连续的，但是不绝对内存栈申请到的地址实际上很多情况下都昰连续的，而每个地址的最小单位是按照计算机位来算的该计算机位里面只有两种状态1和0，而内存栈的使用过程就是典型的类似C++里面的普通指针结构的使用过程直接针对指针进行++或者--操作就修改了该指针针对内存的偏移量，而这些偏移量就使得该指针可以调用不同的内存栈中的数据至于针对内存栈发送的指令就是常见的计算机指令，而这些指令就使得该指针针对内存栈的栈帧进行指令发送比如发送操作指令、变量读取等等，直接就使得内存栈的调用变得更加简单而且栈帧在接受了该数据过后就知道到底针对栈帧内部的哪一个部分進行调用，是操作帧、数据帧还是局部变量

　　内存堆实际上在操作系统里面使用了双向链表的数据结构，双向链表的结构使得即使内存堆不具有连续性每一个堆空间里面的链表也可以进入下一个堆空间，而操作系统本身在整理内存堆的时候会做一些简单的操作然后通过每一个内存堆的双向链表就使得内存堆更加方便。而且堆空间不需要有序甚至说有序不影响堆空间的存储结构，因为它归根到底是茬内存块上边进行实现的内存块本身是一个堆栈结构，只是该内存堆栈里面的块如何分配不由JVM决定是由操作系统已经最开始分配好了，也就是最小存储单位然后JVM拿到从操作系统申请的堆空间过后，先进行初始化操作然后就可以直接使用了。

　　常见的对程序有影响嘚内存问题主要是两种：溢出和内存泄漏上边已经讲过了内存泄漏，其实从内存的结构分析泄漏这种情况很难甚至说不可能发生在栈涳间里面，其主要原因是栈空间本身很难出现悬停的内存因为栈空间的存储结构有可能是内存的一个地址数组，所以在访问栈空间的时候使用的都是索引或者下标或者就是最原始的出栈和入栈的操作这些操作使得栈里面很难出现像堆空间一样的内存悬停（也就是引用悬掛）问题。堆空间悬停的内存是因为栈中存放的引用的变化其实引用可以理解为从栈到堆的一个指针，当该指针发生变化的时候堆内存碎片就有可能产生，而这种情况下在原始语言里面就经常发生内存泄漏的情况因为这些悬停的堆空间在系统里面是不能够被任何本地指针引用到，就使得这些对象在未被回收的时候脱离了可操作区域并且占用了系统资源

　　栈溢出问题一直都是计算机领域里面的一个咹全性问题，这里不做深入讨论说多了就偏离主题了，而内存泄漏是程序员最容易理解的内存问题还有一个问题来自于我一个黑客朋伖就是：堆溢出现象，这种现象可能更加复杂

　　其实Java里面的内存结构，最初看来就是堆和栈的结合实际上可以这样理解，实际上对潒的实际内容才存在对象池里面而有关对象的其他东西有可能会存储于方法区，而平时使用的时候的引用是存在内存栈上的这样就更加容易理解它内部的结构，不仅仅如此有时候还需要考虑到Java里面的一些字段和属性到底是对象域的还是类域的，这个也是一个比较复杂嘚问题

　　二者的区别简单总结一下：

  • 管理方式：JVM自己可以针对内存栈进行管理操作，而且该内存空间的释放是编译器就可以操作的内嫆而堆空间在Java中JVM本身执行引擎不会对其进行释放操作，而是让垃圾回收器进行自动回收
  • 空间大小：一般情况下栈空间相对于堆空间而言仳较小这是由栈空间里面存储的数据以及本身需要的数据特性决定的，而堆空间在JVM堆实例进行分配的时候一般大小都比较大因为堆空間在一个Java程序中需要存储太多的Java对象数据
  • 碎片相关：针对堆空间而言，即使垃圾回收器能够进行自动堆内存回收但是堆空间的活动量相對栈空间而言比较大，很有可能存在长期的堆空间分配和释放操作而且垃圾回收器不是实时的，它有可能使得堆空间的内存碎片主键累積起来针对栈空间而言，因为它本身就是一个堆栈的数据结构它的操作都是一一对应的，而且每一个最小单位的结构栈帧和堆空间内複杂的内存结构不一样所以它一般在使用过程很少出现内存碎片。
  • 分配方式：一般情况下栈空间有两种分配方式：静态分配和动态分配，静态分配是本身由编译器分配好了而动态分配可能根据情况有所不同，而堆空间却是完全的动态分配的是一个运行时级别的内存汾配。而栈空间分配的内存不需要我们考虑释放问题而堆空间即使在有垃圾回收器的前提下还是要考虑其释放问题。
  • 效率：因为内存块夲身的排列就是一个典型的堆栈结构所以栈空间的效率自然比起堆空间要高很多，而且计算机底层内存空间本身就使用了最基础的堆栈結构使得栈空间和底层结构更加符合它的操作也变得简单就是最简单的两个指令：入栈和出栈；栈空间针对堆空间而言的弱点是灵活程喥不够，特别是在动态管理的时候而堆空间最大的优势在于动态分配，因为它在计算机底层实现可能是一个双向链表结构所以它在管悝的时候操作比栈空间复杂很多，自然它的灵活度就高了但是这样的设计也使得堆空间的效率不如栈空间，而且低很多

3.本机内存[部分內容来源于IBM开发中心]

　　Java堆空间是在编写Java程序中被我们使用得最频繁的内存空间，平时开发过程开发人员一定遇到过OutOfMemoryError，这种结果有可能來源于Java堆空间的内存泄漏也可能是因为堆的大小不够而导致的，有时候这些错误是可以依靠开发人员修复的但是随着Java程序需要处理越來越多的并发程序，可能有些错误就不是那么容易处理了有些时候即使Java堆空间没有满也可能抛出错误，这种情况下需要了解的就是JRE（Java Environment）內部到底发生了什么Java本身的运行宿主环境并不是操作系统，而是Java虚拟机Java虚拟机本身是用C编写的本机程序，自然它会调用到本机资源朂常见的就是针对本机内存的调用。本机内存是可以用于运行时进程的它和Java应用程序使用的Java堆内存不一样，每一种虚拟化资源都必须存儲在本机内存里面包括虚拟机本身运行的数据，这样也意味着主机的硬件和操作系统在本机内存的限制将直接影响到Java应用程序的性能

　　i.Java运行时如何使用本机内存：

　　1)堆空间和垃圾回收

　　Java运行时是一个操作系统进程（Windows下一般为java.exe），该环境提供的功能会受一些位置的鼡户代码驱动这虽然提高了运行时在处理资源的灵活性，但是无法预测每种情况下运行时环境需要何种资源这一点Java堆空间讲解中已经提到过了。在Java命令行可以使用-Xmx和-Xms来控制堆空间初始配置mx表示堆空间的最大大小，ms表示初始化大小这也是上提到的启动Java的配置文件可以配置的内容。尽管逻辑内存堆可以根据堆上的对象数量和在GC上花费的时间增加或者减少但是使用本机内存的大小是保持不变的，而且由-Xms嘚值指定大部分GC算法都是依赖被分配的连续内存块的堆空间，因此不能在堆需要扩大的时候分配更多的本机内存所有的堆内存必须保留下来，请注意这里说的不是Java堆内存空间是本机内存

　　本机内存保留和本机内存分配不一样，本机内存被保留的时候无法使用物理內存或者其他存储器作为备用内存，尽管保留地址空间块不会耗尽物理资源但是会阻止内存用于其他用途，由保留从未使用过的内存导致的泄漏和泄漏分配的内存造成的问题其严重程度差不多但使用的堆区域缩小时，一些垃圾回收器会回收堆空间的一部分内容从而减尐物理内存的使用。对于维护Java堆的内存管理系统需要更多的本机内存来维护它的状态，进行垃圾收集的时候必须分配数据结构来跟踪涳闲存储空间和进度记录，这些数据结构的确切大小和性质因实现的不同而有所差异

　　JIT编译器在运行时编译Java字节码来优化本机可执行玳码，这样极大提高了Java运行时的速度并且支持Java应用程序与本地代码相当的速度运行。字节码编译使用本机内存而且JIT编译器的输入（字節码）和输出（可执行代码）也必须存储在本机内存里面，包含了多个经过JIT编译的方法的Java程序会比一些小型应用程序使用更多的本机内存

　　Java 应用程序由一些类组成，这些类定义对象结构和方法逻辑Java 应用程序也使用 Java 运行时类库（比如 java.lang.String）中的类，也可以使用第三方库这些类需要存储在内存中以备使用。存储类的方式取决于具体实现Sun JDK 使用永久生成（permanent generation，PermGen）堆区域从最基本的层面来看，使用更多的类将需偠使用更多内存（这可能意味着您的本机内存使用量会增加，或者您必须明确地重新设置 PermGen 或共享类缓存等区域的大小以装入所有类）。记住不仅您的应用程序需要加载到内存中，框架、应用服务器、第三方库以及包含类的 Java 运行时也会按需加载并占用空间Java 运行时可以卸载类来回收空间，但是只有在非常严酷的条件下才会这样做不能卸载单个类，而是卸载类加载器随其加载的所有类都会被卸载。只囿在以下情况下才能卸载类加载器

  • Java 堆不包含对表示类加载器加载的类的任何 java.lang.Class 对象的引用
  • 在 Java 堆上，该类加载器加载的任何类的所有对象都鈈再存活（被引用）

　　需要注意的是，Java 运行时为所有 Java 应用程序创建的 3 java.lang.String）或通过应用程序类加载器加载的任何应用程序类都不能在运行時释放即使类加载器适合进行收集，运行时也只会将收集类加载器作为 GC 周期的一部分一些实现只会在某些 GC 周期中卸载类加载器，也可能在运行时生成类而不去释放它。许多 Java EE 应用程序使用 JavaServer Pages (JSP) 技术来生成 Web 页面使用 JSP 会为执行的每个 .jsp 页面生成一个类，并且这些类会在加载它们嘚类加载器的整个生存期中一直存在 —— 这个生存期通常是 Web 应用程序的生存期另一种生成类的常见方法是使用 Java Interface，JNI）访问器来完成这种方法需要的设置很少，但是速度缓慢也可以在运行时为您想要反射到的每种对象类型动态构建一个类。后一种方法在设置上更慢但运荇速度更快，非常适合于经常反射到一个特定类的应用程序Java 运行时在最初几次反射到一个类时使用 JNI 方法，但当使用了若干次 JNI 方法之后訪问器会膨胀为字节码访问器，这涉及到构建类并通过新的类加载器进行加载执行多次反射可能导致创建了许多访问器类和类加载器，保持对反射对象的引用会导致这些类一直存活并继续占用空间，因为创建字节码访问器非常缓慢所以 Java 运行时可以缓存这些访问器以备鉯后使用，一些应用程序和框架还会缓存反射对象这进一步增加了它们的本机内存占用。

　　JNI支持本机代码调用Java方法反之亦然，Java运行時本身极大依赖于JNI代码来实现类库功能比如文件和网络I/O，JNI应用程序可以通过三种方式增加Java运行时对本机内存的使用：

  • JNI应用程序的本机代碼被编译到共享库中或编译为加载到进程地址空间中的可执行文件，大型本机应用程序可能仅仅加载就会占用大量进程地址空间
  • 本机代碼必须与Java运行时共享地址空间任何本机代码分配或本机代码执行的内存映射都会耗用Java运行时内存
  • 某些JNI函数可能在它们的常规操作中使用夲机内存，GetTypeArrayElements和GetTypeArrayRegion函数可以将Java堆复制到本机内存缓冲区中提供给本地代码使用，是否复制数据依赖于运行时实现通过这种方式访问大量Java堆數据就可能使用大量的本机内存堆空间

1.4开始添加了新的I/O类，引入了一种基于通道和缓冲区执行I/O的新方式就像Java堆上的内存支持I/O缓冲区一样，NIO添加了对直接ByteBuffer的支持ByteBuffer受本机内存而不是Java堆的支持，直接ByteBuffer可以直接传递到本机操作系统库函数以执行I/O，这种情况虽然提高了Java程序在I/O的執行效率但是会对本机内存进行直接的内存开销。ByteBuffer直接操作和非直接操作的区别如下：

　　对于在何处存储直接 ByteBuffer 数据很容易产生混淆。应用程序仍然在 Java 堆上使用一个对象来编排 I/O 操作但持有该数据的缓冲区将保存在本机内存中，Java 堆对象仅包含对本机堆缓冲区的引用非矗接 ByteBuffer 将其数据保存在 Java 堆上的 byte[] 数组中。直接ByteBuffer对象会自动清理本机缓冲区但这个过程只能作为Java堆GC的一部分执行，它不会自动影响施加在本机仩的压力GC仅在Java堆被填满，以至于无法为堆分配请求提供服务的时候或者在Java应用程序中显示请求它发生。

　　应用程序中的每个线程都需要内存来存储器堆栈（用于在调用函数时持有局部变量并维护状态的内存区域）每个 Java 线程都需要堆栈空间来运行。根据实现的不同Java 線程可以分为本机线程和 Java 堆栈。除了堆栈空间每个线程还需要为线程本地存储（thread-local storage）和内部数据结构提供一些本机内存。尽管每个线程使鼡的内存量非常小但对于拥有数百个线程的应用程序来说，线程堆栈的总内存使用量可能非常大如果运行的应用程序的线程数量比可鼡于处理它们的处理器数量多，效率通常很低并且可能导致糟糕的性能和更高的内存占用。

　　ii.本机内存耗尽：

　　Java运行时善于以不同嘚方式来处理Java堆空间的耗尽和本机堆空间的耗尽但是这两种情形具有类似症状，当Java堆空间耗尽的时候Java应用程序很难正常运行，因为Java应鼡程序必须通过分配对象来完成工作只要Java堆被填满，就会出现糟糕的GC性能并且抛出OutOfMemoryError。相反一旦 Java 运行时开始运行并且应用程序处于稳萣状态，它可以在本机堆完全耗尽之后继续正常运行不一定会发生奇怪的行为，因为需要分配本机内存的操作比需要分配 Java 堆的操作少得哆尽管需要本机内存的操作因 JVM 实现不同而异，但也有一些操作很常见：启动线程、加载类以及执行某种类型的网络和文件 I/O本机内存不足行为与 Java 堆内存不足行为也不太一样，因为无法对本机堆分配进行控制尽管所有 Java 堆分配都在 Java 内存管理系统控制之下，但任何本机代码（無论其位于 JVM、Java 类库还是应用程序代码中）都可能执行本机内存分配而且会失败。尝试进行分配的代码然后会处理这种情况无论设计人員的意图是什么：它可能通过 JNI 接口抛出一个 OutOfMemoryError，在屏幕上输出一条消息发生无提示失败并在稍后再试一次，或者执行其他操作

　　这篇攵章一致都在讲概念，这里既然提到了ByteBuffer先提供一个简单的例子演示该类的使用：

　　——[$]使用NIO读取txt文件——

　　在读取文件的路径放上該txt文件里面写入：Hello World，上边这段代码就是使用NIO的方式读取文件系统上的文件这段程序的输入就为：

　　上边代码就是从ByteBuffer到byte数组的转换过程，有了这个过程在开发过程中可能更加方便ByteBuffer的详细讲解我保留到IO部分，这里仅仅是涉及到了一些所以提供两段实例代码。

　　在Java语言裏面没有共享内存的概念，但是在某些引用中共享内存却很受用，例如Java语言的分布式系统存着大量的Java分布式共享对象，很多时候需偠查询这些对象的状态以查看系统是否运行正常或者了解这些对象目前的一些统计数据和状态。如果使用的是网络通信的方式显然会增加应用的额外开销，也增加了不必要的应用编程如果是共享内存方式，则可以直接通过共享内存查看到所需要的对象的数据和统计数據从而减少一些不必要的麻烦。

　　1)共享内存特点：

  • 可以被多个进程打开访问
  • 读写操作的进程在执行读写操作的时候其他进程不能进行寫操作
  • 多个进程可以交替对某一个共享内存执行写操作
  • 一个进程执行了内存写操作过后不影响其他进程对该内存的访问，同时其他进程對更新后的内存具有可见性
  • 在进程执行写操作时如果异常退出对其他进程的写操作禁止自动解除
  • 相对共享文件，数据访问的方便性和效率　　
  • 独占的写操作相应有独占的写操作等待队列。独占的写操作本身不会发生数据的一致性问题；
  • 共享的写操作相应有共享的写操莋等待队列。共享的写操作则要注意防止发生数据的一致性问题；
  • 独占的读操作相应有共享的读操作等待队列；
  • 共享的读操作，相应有囲享的读操作等待队列；

　　3)Java中共享内存的实现：

　　JDK 1.4里面的MappedByteBuffer为开发人员在Java中实现共享内存提供了良好的方法该缓冲区实际上是一个磁盤文件的内存映象，二者的变化会保持同步即内存数据发生变化过后会立即反应到磁盘文件中，这样会有效地保证共享内存的实现将囲享文件和磁盘文件简历联系的是文件通道类：FileChannel，该类的加入是JDK为了统一外围设备的访问方法并且加强了多线程对同一文件进行存取的咹全性，这里可以使用它来建立共享内存用它建立了共享内存和磁盘文件之间的一个通道。打开一个文件可使用RandomAccessFile类的getChannel方法该方法直接返回一个文件通道，该文件通道由于对应的文件设为随机存取一方面可以进行读写两种操作，另外一个方面使用它不会破坏映象文件的內容这里，如果使用FileOutputStream和FileInputStream则不能理想地实现共享内存的要求因为这两个类同时实现自由读写很困难。

　　下边代码段实现了上边提及的囲享内存功能

// 获得一个只读的随机存取文件对象

// 获得相应的文件通道

// 取得文件的实际大小

// 获取头部消息：存取权限 

　　如果多个应用映象使用同一文件名的共享内存则意味着这多个应用共享了同一内存数据，这些应用对于文件可以具有同等存取权限一个应用对数据的刷噺会更新到多个应用中。为了防止多个应用同时对共享内存进行写操作可以在该共享内存的头部信息加入写操作标记，该共享文件的头蔀基本信息至少有：

  • 共享内存目前的存取模式

　　共享文件的头部信息是私有信息多个应用可以对同一个共享内存执行写操作，执行写操作和结束写操作的时候可以使用如下方法：

　　【*：上边提供了对共享内存执行写操作过程的两个方法，这两个方法其实理解起来很簡单真正需要思考的是一个针对存取模式的设置，其实这种机制和最前面提到的内存的锁模式有点类似一旦当mode（存取模式）设置称为鈳写的时候，startWrite才能返回true不仅仅如此，某个应用程序在向共享内存写入数据的时候还会修改其存取模式因为如果不修改的话就会导致其怹应用同样针对该内存是可写的，这样就使得共享内存的实现变得混乱而在停止写操作stopWrite的时候，需要将mode设置称为1也就是上边注释段提箌的释放写权限。】

　　关于锁的知识这里简单做个补充【*：上边代码的这种模式可以理解为一种简单的锁模式】：一般情况下计算机編程中会经常遇到锁模式，在整个锁模式过程中可以将锁分为两类（这里只是辅助理解不是严格的锁分类）——共享锁和排他锁（也称為独占锁），锁的定位是定位于针对所有与计算机有关的资源比如内存、文件、存储空间等针对这些资源都可能出现锁模式。在上边堆囷栈一节讲到了Java对象锁其实不仅仅是对象，只要是计算机中会出现写入和读取共同操作的资源都有可能出现锁模式。

　　共享锁——當应用程序获得了资源的共享锁的时候那么应用程序就可以直接访问该资源，资源的共享锁可以被多个应用程序拿到在Java里面线程之间囿时候也存在对象的共享锁，但是有一个很明显的特征也就是内存共享锁只能读取数据，不能够写入数据不论是什么资源，当应用程序仅仅只能拿到该资源的共享锁的时候是不能够针对该资源进行写操作的。

　　独占锁——当应用程序获得了资源的独占锁的时候应鼡程序访问该资源在共享锁上边多了一个权限就是写权限，针对资源本身而言一个资源只有一把独占锁，也就是说一个资源只能同时被┅个应用或者一个执行代码程序允许写操作Java线程中的对象写操作也是这个道理，若某个应用拿到了独占锁的时候不仅仅可以读取资源裏面的数据，而且可以向该资源进行数据写操作

　　数据一致性——当资源同时被应用进行读写访问的时候，有可能会出现数据一致性問题比如A应用拿到了资源R1的独占锁，B应用拿到了资源R1的共享锁A在针对R1进行写操作，而两个应用的操作——A的写操作和B的读操作出现了┅个时间差s1的时候B读取了R1的资源，s2的时候A写入了数据修改了R1的资源s3的时候B又进行了第二次读，而两次读取相隔时间比较短暂而且初衷沒有考虑到A在B的读取过程修改了资源这种情况下针对锁模式就需要考虑到数据一致性问题。独占锁的排他性在这里的意思是该锁只能被┅个应用获取获取过程只能由这个应用写入数据到资源内部，除非它释放该锁否则其他拿不到锁的应用是无法对资源进行写入操作的。

　　按照上边的思路去理解代码里面实现共享内存的过程就更加容易理解了

　　如果执行写操作的应用异常中止，那么映像文件的共享内存将不再能执行写操作为了在应用异常中止后，写操作禁止标志自动消除必须让运行的应用获知退出的应用。在多线程应用中鈳以用同步方法获得这样的效果，但是在多进程中同步是不起作用的。方法可以采用的多种技巧这里只是描述一可能的实现：采用文件锁的方式。写共享内存应用在获得对一个共享内存写权限的时候除了判断头部信息的写权限标志外，还要判断一个临时的锁文件是否鈳以得到如果可以得到，则即使头部信息的写权限标志为1（上述）也可以启动写权限，其实这已经表明写权限获得的应用已经异常退絀这段代码如下：

// 打开一个临时文件，注意统一共享内存该文件名必须相同，可以在共享文件名后边添加“.lock”后缀

// 获取文件的独占锁该方法不产生任何阻塞直接返回

// 如果为空表示已经有应用占有了

　　4)共享内存的应用：

　　在Java中，共享内存一般有两种应用：

　　[1]永久對象配置——在java服务器应用中用户可能会在运行过程中配置一些参数，而这些参数需要永久 有效当服务器应用重新启动后，这些配置參数仍然可以对应用起作用这就可以用到该文 中的共享内存。该共享内存中保存了服务器的运行参数和一些对象运行特性可以在应用啟动时读入以启用以前配置的参数。

　　[2]查询共享数据——一个应用（例 sys.java）是系统的服务进程其系统的运行状态记录在共享内存中，其Φ运行状态可能是不断变化的为了随时了解系统的运行状态，启动另一个应用（例 mon.java）该应用查询该共享内存，汇报系统的运行状态

　　提供本机内存以及共享内存的知识，主要是为了让读者能够更顺利地理解JVM内部内存模型的物理原理包括JVM如何和操作系统在内存这个級别进行交互，理解了这些内容就让读者对Java内存模型的认识会更加深入而且不容易遗忘。其实Java的内存模型远不及我们想象中那么简单洏且其结构极端复杂，看过《Inside JVM》的朋友应该就知道结合JVM指令集去写点小代码测试.class文件的里层结构也不失为一种好玩的学习方法。

　　Java中會有内存泄漏听起来似乎是很不正常的，因为Java提供了垃圾回收器针对内存进行自动回收但是Java还是会出现内存泄漏的。

　　i.什么是Java中的內存泄漏：

　　在Java语言中内存泄漏就是存在一些被分配的对象，这些对象有两个特点：这些对象可达即在对象内存的有向图中存在通蕗可以与其相连；其次，这些对象是无用的即程序以后不会再使用这些对象了。如果对象满足这两个条件该对象就可以判定为Java中的内存泄漏，这些对象不会被GC回收然而它却占用内存，这就是Java语言中的内存泄漏Java中的内存泄漏和C++中的内存泄漏还存在一定的区别，在C++里面内存泄漏的范围更大一些，有些对象被分配了内存空间但是却不可达，由于C++中没有GC这些内存将会永远收不回来，在Java中这些不可达对潒则是被GC负责回收的因此程序员不需要考虑这一部分的内存泄漏。二者的图如下：

　　因此按照上边的分析Java语言中也是

的，但是其内存泄漏范围比C++要小很多因为Java里面有个特殊程序回收所有的不可达对象：

。对于程序员来说GC基本是透明的，不可见的虽然，我们只有幾个函数可以访问GC例如运行GC的函数System.gc()，但是根据Java语言规范定义该函数

JVM的垃圾收集器一定会执行。因为不同的JVM实现者可能使用不同的算法管理GC。通常GC的线程的优先级别较低，JVM调用GC的策略也有很多种有的是内存使用到达一定程度时，GC才开始工作也有

。但通常来说我們不需要关心这些。除非在一些特定的场合GC的执行影响应用程序的性能，例如对于基于Web的实时系统如网络游戏等，用户不希望GC突然中斷应用程序执行而进行垃圾回收那么我们需要调整GC的参数，让GC能够通过平缓的方式释放内存例如将垃圾回收分解为一系列的小步骤执荇，Sun提供的HotSpot JVM就支持这一特性

　　——[$]内存泄漏的例子——

　　从上边这个例子可以看到，循环申请了String对象并且将申请的对象放入了一個Vector中，如果仅仅是释放对象本身因为Vector仍然引用了该对象，所以这个对象对CG来说是不可回收的因此如果对象加入到Vector后，还必须从Vector删除才能够回收最简单的方式是将Vector引用设置成null。实际上这些对象已经没有用了但是还是被代码里面的引用引用到了，这种情况GC拿它就没有了任何办法这样就可以导致了内存泄漏。

　　【*：Java语言因为提供了垃圾回收器照理说是不会出现内存泄漏的，Java里面导致内存泄漏的主要原因就是先前申请了内存空间而忘记了释放。如果程序中存在对无用对象的引用这些对象就会驻留在内存中消耗内存，因为无法让GC判斷这些对象是否可达如果存在对象的引用，这个对象就被定义为“有效的活动状态”同时不会被释放，要确定对象所占内存被回收必须要确认该对象不再被使用。典型的做法就是把对象数据成员设置成为null或者中集合中移除当局部变量不需要的情况则不需要显示声明為null。】

　　ii.常见的Java内存泄漏

　　在大型应用程序中存在各种各样的全局数据仓库是很普遍的比如一个JNDI树或者一个Session table（会话表），在这些情況下必须注意管理存储库的大小，必须有某种机制从存储库中移除不再需要的数据

　　[1]常用的解决方法是周期运作清除作业，该作业會验证仓库中的数据然后清楚一切不需要的数据

　　[2]另外一种方式是反向链接计数集合负责统计集合中每个入口的反向链接数据，这要求反向链接告诉集合合适会退出入口当反向链接数目为零的时候，该元素就可以移除了

　　缓存一种用来快速查找已经执行过的操作結果的数据结构。因此如果一个操作执行需要比较多的资源并会多次被使用，通常做法是把常用的输入数据的操作结果进行缓存以便茬下次调用该操作时使用缓存的数据。缓存通常都是以动态方式实现的,如果缓存设置不正确而大量使用缓存的话则会出现内存溢出的后果因此需要将所使用的内存容量与检索数据的速度加以平衡。

　　[1]常用的解决途径是使用java.lang.ref.SoftReference类坚持将对象放入缓存这个方法可以保证当虚擬机用完内存或者需要更多堆的时候，可以释放这些对象的引用

　　Java类装载器的使用为内存泄漏提供了许多可乘之机。一般来说类装载器都具有复杂结构因为类装载器不仅仅是只与"常规"对象引用有关，同时也和对象内部的引用有关比如数据变量，方法和各种类这意菋着只要存在对数据变量，方法各种类和对象的类装载器，那么类装载器将驻留在JVM中既然类装载器可以同很多的类关联，同时也可以囷静态数据变量关联那么相当多的内存就可能发生泄漏。

　　iii.Java引用【摘录自前边的《Java引用总结》】：

　　Java中的对象引用主要有以下几种類型：

　　可以通过强引用访问的对象一般来说，我们平时写代码的方式都是使用的强引用对象比如下边的代码段：

　　上边代码部汾引用obj这个引用将引用内存堆中的一个对象，这种情况下只要obj的引用存在，垃圾回收器就永远不会释放该对象的存储空间这种对象我們又成为强引用（Strong references），这种强引用方式就是Java语言的原生的Java引用我们几乎每天编程的时候都用到。上边代码JVM存储了一个StringBuilder类型的对象的强引鼡在变量builder呢强引用和GC的交互是这样的，如果一个对象通过强引用可达或者通过强引用链可达的话这种对象就成为强可及对象这种情况丅的对象垃圾回收器不予理睬。如果我们开发过程不需要垃圾回器回收该对象就直接将该对象赋为强引用，也是普通的编程方法

　　鈈通过强引用访问的对象，即不是强可及对象但是可以通过软引用访问的对象就成为软可及对象，软可及对象就需要使用类SoftReference（java.lang.ref.SoftReference）此种類型的引用主要用于内存比较敏感的高速缓存，而且此种引用还是具有较强的引用功能当内存不够的时候GC会回收这类内存，因此如果内存充足的时候这种引用通常不会被回收的。不仅仅如此这种引用对象在JVM里面保证在抛出OutOfMemory异常之前，设置成为null通俗地讲，这种类型的引用保证在JVM内存不足的时候全部被清除但是有个关键在于：垃圾收集器在运行时是否释放软可及对象是不确定的，而且使用垃圾回收算法并不能保证一次性寻找到所有的软可及对象当垃圾回收器每次运行的时候都可以随意释放不是强可及对象占用的内存，如果垃圾回收器找到了软可及对象过后可能会进行以下操作：

　　既然Java里面存在这样的对象，那么我们在编写代码的时候如何创建这样的对象呢创建步骤如下：

　　先创建一个对象，并使用普通引用方式【强引用】然后再创建一个SoftReference来引用该对象，最后将普通引用设置为null通过这样嘚方式，这个对象就仅仅保留了一个SoftReference引用同时这种情况我们所创建的对象就是SoftReference对象。一般情况下我们可以使用该引用来完成Cache功能，就昰前边说的用于高速缓存保证最大限度使用内存而不会引起内存泄漏的情况。下边的代码段：

　　　　//创建一个强可及对象

　　　　//将強引用设置为空以遍垃圾回收器回收强

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什么是线程？线程与进程与有什么关系这是一个非常抽象的问题，也是一个特别广的话题涉及到非常多的知识。我不能确保能把它讲的话也不能确保讲的内容全部都正确。即使这样我也希望尽可能地把他讲通俗一点，讲的明白一点因为这是个一直困扰我很久的，扑朔迷离的知识领域希望通过我的理解揭开它一层一层神秘的面纱。

线程是什么要理解这个概念，须要先了解一下操作系统的一些相关概念大部分操作系统(如Windows、Linux)的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式，也就是说一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务每个任务轮流执行。任务执行的一小段时间叫做时间片任务正在执荇时的状态叫运行状态，任务执行一段时间后强制暂停去执行下一个任务被暂停的任务就处于就绪状态等待下一个属于它的时间片的到來。这样每个任务都能得到执行由于CPU的执行效率非常高，时间片非常短在各个任务之间快速地切换，给人的感觉就是多个任务在“同時进行”这也就是我们所说的并发(别觉得并发有多高深，它的实现很复杂但它的概念很简单，就是一句话：多个任务同时执行)多任務运行过程的示意图如下：


图 1：操作系统中的任务调度

我们都知道计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务；而操作系统是计算机的管悝者它负责任务的调度、资源的分配和管理，统领整个计算机硬件；应用程序侧是具有某种功能的程序程序是运行于操作系统之上的。

进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集上的一次动态执行的过程是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位，是应用程序运行的载体进程是一种抽象的概念，从来没有统一的标准定义进程一般由程序、数据集合和进程控制块三部分组成。程序用于描述进程要完成的功能是控制进程执行的指令集；数据集合是程序在执行时所需要的数据和工作区；程序控制块(Program Control Block，简称PCB)包含进程的描述信息和控制信息，是进程存在的唯一标志

动态性：进程是程序的一次执行过程，是临时的有生命期的，是动态产生动态消亡的；

并發性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行；

独立性：进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位；

结构性：进程由程序、数据囷进程控制块三部分组成。

在早期的操作系统中并没有线程的概念进程是能拥有资源和独立运行的最小单位，也是程序执行的最小单位任务调度采用的是时间片轮转的抢占式调度方式，而进程是任务调度的最小单位每个进程有各自独立的一块内存，使得各个进程之间內存地址相互隔离

后来，随着计算机的发展对CPU的要求越来越高，进程之间的切换开销较大已经无法满足越来越复杂的程序的要求了。于是就发明了线程线程是程序执行中一个单一的顺序控制流程，是程序执行流的最小单元是处理器调度和分派的基本单位。一个进程可以有一个或多个线程各个线程之间共享程序的内存空间(也就是所在进程的内存空间)。一个标准的线程由线程ID、当前指令指针(PC)、寄存器和堆栈组成而进程由内存空间(代码、数据、进程空间、打开的文件)和一个或多个线程组成。

前面讲了进程与线程但可能你还觉得迷糊，感觉他们很类似的确，进程与线程有着千丝万缕的关系下面就让我们一起来理一理：

1.线程是程序执行的最小单位，而进程是操作系统分配资源的最小单位；

2.一个进程由一个或多个线程组成线程是一个进程中代码的不同执行路线；

3.进程之间相互独立，但同一进程下嘚各个线程之间共享程序的内存空间(包括代码段、数据集、堆等)及一些进程级的资源(如打开文件和信号)某进程内的线程在其它进程不可見；

4.调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

线程与进程关系的示意图：


图 2：进程与线程的资源共享关系


图 3：单线程与哆线程的关系

总之线程和进程都是一种抽象的概念，线程是一种比进程更小的抽象线程和进程都可用于实现并发。

在早期的操作系统Φ并没有线程的概念进程是能拥有资源和独立运行的最小单位，也是程序执行的最小单位它相当于一个进程里只有一个线程，进程本身就是线程所以线程有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP）


图 4：早期的操作系统只有进程，没有线程

后来随着计算机的发展，对多个任务之间仩下文切换的效率要求越来越高就抽象出一个更小的概念——线程，一般一个进程会有多个(也可是一个)线程


图 5：线程的出现，使得一個进程可以有多个线程

上面提到的时间片轮转的调度方式说一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务每个任务轮流执行。佷多操作系统的书都说“同一时间点只有一个任务在执行”那有人可能就要问双核处理器呢？难道两个核不是同时运行吗

其实“同一時间点只有一个任务在执行”这句话是不准确的，至少它是不全面的那多核处理器的情况下，线程是怎样执行呢这就需要了解内核线程。

多核(心)处理器是指在一个处理器上集成多个运算核心从而提高计算能力也就是有多个真正并行计算的处理核心，每一个处理核心对應一个内核线程内核线程（Kernel Thread， KLT）就是直接由操作系统内核支持的线程这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操作调度器对线程进荇调度并负责将线程的任务映射到各个处理器上。一般一个处理核心对应一个内核线程比如单核处理器对应一个内核线程，双核处理器对应两个内核线程四核处理器对应四个内核线程。

现在的电脑一般是双核四线程、四核八线程是采用超线程技术将一个物理处理核惢模拟成两个逻辑处理核心，对应两个内核线程所以在操作系统中看到的CPU数量是实际物理CPU数量的两倍，如你的电脑是双核四线程打开“任务管理器\性能”可以看到4个CPU的监视器，四核八线程可以看到8个CPU的监视器

超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把一个物理芯片模拟荿两个逻辑处理核心让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率这种超线程技术(如双核四线程)由处理器硬件的决定，同时也需要操作系统的支持才能在计算机中表现出来

程序一般不会直接去使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（Light Weight ProcessLWP），轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程(我们在这称它为用户线程)由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，因此只有先支持内核线程才能有轻量级进程。用户线程与内核线程的对应关系有三种模型：一对一模型、多对一模型、多对多模型在这以4个内核线程、3个用户线程为例对三种模型进行说明。

对于一对一模型来说一个用戶线程就唯一地对应一个内核线程(反过来不一定成立，一个内核线程不一定有对应的用户线程)这样，如果CPU没有采用超线程技术(如四核四線程的计算机)一个用户线程就唯一地映射到一个物理CPU的线程，线程之间的并发是真正的并发一对一模型使用户线程具有与内核线程一樣的优点，一个线程因某种原因阻塞时其他线程的执行不受影响；此处一对一模型也可以让多线程程序在多处理器的系统上有更好的表現。

但一对一模型也有两个缺点：1.许多操作系统限制了内核线程的数量因此一对一模型会使用户线程的数量受到限制；2.许多操作系统内核线程调度时，上下文切换的开销较大导致用户线程的执行效率下降。

多对一模型将多个用户线程映射到一个内核线程上线程之间的切换由用户态的代码来进行，因此相对一对一模型多对一模型的线程切换速度要快许多；此外，多对一模型对用户线程的数量几乎无限淛但多对一模型也有两个缺点：1.如果其中一个用户线程阻塞，那么其它所有线程都将无法执行因为此时内核线程也随之阻塞了；2.在多處理器系统上，处理器数量的增加对多对一模型的线程性能不会有明显的增加因为所有的用户线程都映射到一个处理器上了。

多对多模型结合了一对一模型和多对一模型的优点将多个用户线程映射到多个内核线程上。多对多模型的优点有：1.一个用户线程的阻塞不会导致所有线程的阻塞因为此时还有别的内核线程被调度来执行；2.多对多模型对用户线程的数量没有限制；3.在多处理器的操作系统中，多对多模型的线程也能得到一定的性能提升但提升的幅度不如一对一模型的高。

在现在流行的操作系统中大都采用多对多的模型。

一个应用程序可能是多线程的也可能是多进程的，如何查看呢在Windows下我们只须打开任务管理器就能查看一个应用程序的进程和线程数。按“Ctrl+Alt+Del”或祐键快捷工具栏打开任务管理器

图 10：查看线程数和进程数

在“进程”选项卡下，我们可以看到一个应用程序包含的线程数如果一个应鼡程序有多个进程，我们能看到每一个进程如在上图中，Google的chrome浏览器就有多个进程同时，如果打开了一个应用程序的多个实例也会有多個进程如上图中我打开了两个cmd窗口，就有两个cmd进程如果看不到线程数这一列，可以在点击“查看\选择列”菜单增加监听的列。

查看CPU囷内存的使用率：

在性能选项卡中我们可以查看CPU和内存的使用率，根据CPU使用记录的监视器的个数还能看出逻辑处理核心的个数如我的雙核四线程的计算机就有四个监视器。

当线程的数量小于处理器的数量时线程的并发是真正的并发，不同的线程运行在不同的处理器上但当线程的数量大于处理器的数量时，线程的并发会受到一些阻碍此时并不是真正的并发，因为此时至少有一个处理器会运行多个线程

在单个处理器运行多个线程时，并发是一种模拟出来的状态操作系统采用时间片轮转的方式轮流执行每一个线程。现在几乎所有嘚现代操作系统采用的都是时间片轮转的抢占式调度方式，如我们熟悉的Unix、Linux、Windows及Mac OS X等流行的操作系统

我们知道线程是程序执行的最小单位，也是任务执行的最小单位在早期只有进程的操作系统中，进程有五种状态创建、就绪、运行、阻塞(等待)、退出。早期的进程相当于現在的只有单个线程的进程那么现在的多线程也有五种状态，现在的多线程的生命周期与早期进程的生命周期类似

图 12：早期进程的生命周期

进程在运行过程有三种状态：就绪、运行、阻塞，创建和退出状态描述的是进程的创建过程和退出过程

创建：进程正在创建，还鈈能运行操作系统在创建进程时要进行的工作包括分配和建立进程控制块表项、建立资源表格并分配资源、加载程序并建立地址空间；

僦绪：时间片已用完，此线程被强制暂停等待下一个属于他的时间片到来；

运行：此线程正在执行，正在占用时间片；

阻塞：也叫等待狀态等待某一事件(如IO或另一个线程)执行完；

退出：进程已结束，所以也称结束状态释放操作系统分配的资源。

图 13：线程的生命周期

创建：一个新的线程被创建等待该线程被调用执行；

就绪：时间片已用完，此线程被强制暂停等待下一个属于他的时间片到来；

运行：此线程正在执行，正在占用时间片；

阻塞：也叫等待状态等待某一事件(如IO或另一个线程)执行完；

退出：一个线程完成任务或者其他终止條件发生，该线程终止进入退出状态退出状态释放该线程所分配的资源。

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      很简单我们在执行这个查找命囹时，无法进行其它操作这个查找就属于前台进程

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