深入理解JVM四：Java内存模式与线程

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原创最新推荐文章于 2026-04-27 13:33:07 发布 282 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

JVM堆内存优化与SpringBoot配置在当今的软件开发领域，随着业务需求的日益复杂和系统规模的不断扩大，对于Java虚拟机（JVM）和Spring Boot框架的深入理解变得尤为重要。特别是在处理大数据量和高并发场景时，如何合理地设置JVM的堆内存参数，以优化Spring Boot应用程序的性能和稳定性，成为了开发人员必须面对的问题。场景问题：假设我们正在开发一个处理大规模用户数据的在线分析平台，该平台使用Spring Boot框架构建。由于数据量巨大，系统在运行一段时间后，频繁出现内存溢出错误，导致服务不可用。阅读详情

并发处理的广泛应用是人类充分利用计算机运算能力的最有力武器。

一、概述

计算机的运算速度与它的存储和通信子系统速度出具太大，容易浪费。
一个服务端同时对多个客户端提供服务则是另一个并发应用场景。

二、硬件的效率与一致性

如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保正——因为指令重排序优化

三、Java内存模型

Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型来屏蔽硬件和操作系统的内存访问差异。

3.1 主内存与工作内存

主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。变量主要是指实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，不包括局部变量和方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享。
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，线程还有自己的工作内存，如图所示。
注意：此处的内存模型与第二章的Java堆等内存模型是不同层次的划分。
在这里插入图片描述

3.2 内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，Java内存模型定义了8种操作来完成，保证每一种操作都是原子的。

lock : 作用于主内存的变量，把一个变量表示为一条线程独占的状态
unlock : 释放主内存变量
read : 把主内存的变量传输到工作内存中，以便load使用
load: 作用于工作内存变量，它把read操作从得到的变量值放入工作内存的变量副本中
use : 作用于工作内存变量，他把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作
assign(赋值) ：作用于工作内存变量，他把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时将会执行这个操作
store : 作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write使用
write ：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

针对这些操作，必须满足一下规则：

不允许read和load、store和write操作之一单独出现，但可以不连续，中间有其他指令
不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存
不允许一个线程无原因(没有任何assign操作)地把数据从线程的工作内存同步回主内存
一个新的变量只能在主内存中"诞生"
一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一线程执行多次，执行多次lock后需要执行相同次数的unlock才会被解锁。
如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要从新执行load或者assign操作初始化变量的值
如果实现没lock,则不允许unlock
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中

3.3 对于volatile型变量的特殊规则

保证变量可见性，指当一条线程修改了这个变量的值，其他线程可以立即可知
当不符合以下两条规则，则需要加锁
- 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
- 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束
禁止指令重排序优化
单例模式

3.4 原子性、可见性、有序性

原子性 基本的数据类型的访问读写是具备原子性(long和double的非原子协定)
可见性 volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新
有序性 Java程序的天然有效性指：如果在本线程内观察，所有操作是有序的；如果在一个线程观察另一个线程，所有的操作都是无序的。synchronized

3.5 先行发生原则

天然先行规则

程序次序规则：同一线程内，按照程序控制流顺序执行
管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock的操作
volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
线程启动规则： Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作
线程终止规则：线程中所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，
线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
对象终结规则：一个对象的初始化完成(构造函数结束)先行发生于它的finalize()方法的开始
传递性：如果A先行于操作B，B先行于操作C，那么就可以得出A先行于C.

四、Java与线程

并发不一定依赖多线程(多进程)，但是Java的并发，大多数与线程脱不开关系。

4.1 线程的实现

进程是计算机硬件资源的分配单位，线程时CPU调度的基本单位。
实现线程主要有3种方式：

内核线程实现
直接由操作系统内核支持的线程，由内核完成线程切换，调度，映射；程序一般不使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（LWP），就是通常意义上的线程。这种轻量级进程与内核线程1:1的关系成为一对一的线程模型。这种轻量级的线程局限性在于，需要系统调用，代价高，需要在用户态和内核态切换，消耗内核资源，因此数量有限
用户线程实现
狭义上的用户线程指完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知线程存在的实现，完全在用户态完成。可以支持规模更大的线程数量，这种进程与线程之间1：N的关系称为一对多线程模型。优势在于不需要系统内核支援，劣势也在于没有系统内核的支援，所有线程操作都需要用户自己处理。
用户线程加轻量级进程混合实现
将内核线程与用户线程一起使用的实现方式。这种混合模式中，用户线程与轻量级进程的数量比是不定的，即为N:M的关系，这就是多对多线程模型。

Java线程的实现

JDK1.2之前是基于用户线程实现，后来基于操作系统的原生线程模型来实现。
对于Sun JDK来说，它的Windows版与Linux版都是使用一对一的线程模型实现的。

4.2 Java线程调度

线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要调度方式有两种，分别是：

协同式线程调度
线程的执行时间由线程本身来控制，线程执行完之后，主动通知系统切换到另外一个线程，最大好处是实现简单，坏处就是线程执行时间不可控制，如果一个线程编写有问题，会一直阻塞。
抢占式线程调度
由系统分配执行时间
Java线程调度是系统自动完成的，Java可以设置10个级别的线程优先级，但是是通过映射到系统的原生系统，所以最终还是取决于操作系统。