誰說深入淺出虛擬機難？現在我讓他通俗易懂（JVM）
1：什麼是JVM
大家可以想想，JVM 是什麼？JVM是用來幹什麼的？在這裏我列出了三個概念，第一個是JVM，第二個是JDK，第三個是JRE。相信大家對這三個不會很陌生，相信你們都用過，但是，你們對這三個概念有清晰的知道麼？我不知道你們會不會，知不知道。接下來你們看看我對JVM的理解。
（1）：JVM
JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用於計算設備的規範，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。
引入Java語言虛擬機後，Java語言在不同平臺上運行時不需要重新編譯。
Java語言使用Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關的信息，
使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節碼），
就可以在多種平臺上不加修改地運行。
Java虛擬機在執行字節碼時，把字節碼解釋成具體平臺上的機器指令執行。
這就是Java的能夠「一次編譯，到處運行」的原因。
（2）：JDK
JDK(Java Development Kit) 是 Java 語言的軟件開發工具包(SDK)。
JDK包含的基本組件包括：
javac – 編譯器，將源程序轉成字節碼
jar – 打包工具，將相關的類文件打包成一個文件
javadoc – 文檔生成器，從源碼註釋中提取文檔
jdb – debugger，查錯工具
java – 運行編譯後的java程序（.class後綴的）
appletviewer：小程序瀏覽器，一種執行HTML文件上的Java小程序的Java瀏覽器。
Javah：產生可以調用Java過程的C過程，或建立能被Java程序調用的C過程的頭文件。
Javap：Java反彙編器，顯示編譯類文件中的可訪問功能和數據，同時顯示字節代碼含義。
Jconsole: Java進行系統調試和監控的工具
（3）:JRE
JRE（Java Runtime Environment，Java運行環境），運行JAVA程序所必須的環境的集合，包含JVM標準實現及Java核心類庫。
包括兩部分：
Java Runtime Environment:
是可以在其上運行、測試和傳輸應用程序的Java平臺。
它包括Java虛擬機（jvm）、Java核心類庫和支持文件。
它不包含開發工具(JDK)--編譯器、調試器和其它工具。
JRE需要輔助軟件--Java Plug-in--以便在瀏覽器中運行applet。
Java Plug-in。
允許Java Applet和JavaBean組件在使用Sun的Java Runtime Environment(JRE)的瀏覽器中運行，
而不是在使用缺省的Java運行環境的瀏覽器中運行。
Java Plug-in可用於Netscape Navigator和Microsoft Internet Explorer。
2：JVM運行時數據區
Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存劃分爲若干個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途，已經創建和銷燬時間，有的區域隨着虛擬機進程的啓動而創建，有些區域則依賴用戶線程的啓動和結束而創建和銷燬。根據《Java虛擬機規範（Java SE 7）》的規定，Java虛擬機所管理的內存將會包括以下幾個運行時數據區域，如下圖所示：
2.1、程序計數器
程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型裏（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現），字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令、分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。
由於Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的。在任何一個確定的時刻，一個處理器都只會執行一條線程中的指令。因此，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各個線程之間計數器互不影響，獨立存儲。
如果線程正在執行的是一個Java方法，那這個計數器記錄的是正在執行的字節碼指令的地址；如果正在執行的是Native方法，這個計數器值則爲空（undefined）。
此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。
程序計數器是線程私有的，它的生命週期與線程相同（隨線程而生，隨線程而滅）。
2.2、Java虛擬機棧
虛擬機棧（Java Virtual Machine Stack）描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法被執行的同時都會創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法從被調用直至執行完成的過程就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。
在Java虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常情況：
如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；
如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的Java虛擬機都可以擴展），如果擴展時無法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常。
與程序寄存器一樣，java虛擬機棧也是線程私有的，它的生命週期與線程相同。
2.3、本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧所發揮的作用是非常類似，它們之間的區別在於虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法服務，而本地方法棧則是爲虛擬機使用到的Native方法服務。在虛擬機規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與數據結構並沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由的實現它。
與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
與虛擬機棧一樣，本地方法棧也是線程私有的。
2.4、Java 堆（Java Heap）
對於大多數應用來說，Java 堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動的是創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例以及數組都要在這裏分配內存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱爲「GC堆」（Garbage Collected Heap）。從內存回收的角度來看，由於現在收集器基本都採用分代收集算法，所以Java堆還可以細分爲：新生代和老年代；新生代又可以分爲：Eden 空間、From Survivor空間、To Survivor空間。
根據Java虛擬機規範的規定，Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xms和-Xmx控制）。如果在堆中沒有內存完成實例的分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。
2.5、方法區（Method Area）
方法區（Method Area）和Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存放已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、JIT編譯後的代碼等數據。方法區在虛擬機啓動的時候創建。
Java虛擬機規範對方法區的限制非常寬鬆，除了和堆一樣不需要不連續的內存空間和可以固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。
根據Java虛擬機規範的規定，如果方法區的內存空間不能滿足內存分配需要時，將拋出OutOfMemoryError異常。
2.6、運行時常量池
運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。
2.7、直接內存
直接內存（Direct Memory）並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規範中定義的內存區域。但是這部分內存也被頻繁使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。
在JDK 1.4 中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的I/O方法，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆中DirectByteBuffer對象作爲這塊內存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因爲避免了在Java堆和Native堆中來回複製數據。
到這裏我們大致知道了Java虛擬機的運行時區的概況，接下來會繼續介紹更多JVM相關信息。
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3：JVM內存模型
Java內存模型即Java Memory Model，簡稱JMM。JMM定義了Java 虛擬機(JVM)在計算機內存(RAM)中的工作方式。JVM是整個計算機虛擬模型，所以JMM是隸屬於JVM的。
如果我們要想深入瞭解Java併發編程，就要先理解好Java內存模型。Java內存模型定義了多線程之間共享變量的可見性以及如何在需要的時候對共享變量進行同步。原始的Java內存模型效率並不是很理想，因此Java1.5版本對其進行了重構，現在的Java8仍沿用了Java1.5的版本。
關於併發編程
在併發編程領域，有兩個關鍵問題：線程之間的通信和同步。
線程之間的通信
線程的通信是指線程之間以何種機制來交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種共享內存和消息傳遞。
在共享內存的併發模型裏，線程之間共享程序的公共狀態，線程之間通過寫-讀內存中的公共狀態來隱式進行通信，典型的共享內存通信方式就是通過共享對象進行通信。
在消息傳遞的併發模型裏，線程之間沒有公共狀態，線程之間必須通過明確的發送消息來顯式進行通信，在java中典型的消息傳遞方式就是wait()和notify()。
關於Java線程之間的通信，可以參考線程之間的通信（thread signal）。
線程之間的同步
同步是指程序用於控制不同線程之間操作發生相對順序的機制。
在共享內存併發模型裏，同步是顯式進行的。程序員必須顯式指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執行。
在消息傳遞的併發模型裏，由於消息的發送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進行的。
Java的併發採用的是共享內存模型
Java線程之間的通信總是隱式進行，整個通信過程對程序員完全透明。如果編寫多線程程序的Java程序員不理解隱式進行的線程之間通信的工作機制，很可能會遇到各種奇怪的內存可見性問題。
Java內存模型
上面講到了Java線程之間的通信採用的是過共享內存模型，這裏提到的共享內存模型指的就是Java內存模型(簡稱JMM)，JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內存之間的抽象關係：線程之間的共享變量存儲在主內存（main memory）中，每個線程都有一個私有的本地內存（local memory），本地內存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內存是JMM的一個抽象概念，並不真實存在。它涵蓋了緩存，寫緩衝區，寄存器以及其他的硬件和編譯器優化。
從上圖來看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經歷下面2個步驟：
1. 首先，線程A把本地內存A中更新過的共享變量刷新到主內存中去。2. 然後，線程B到主內存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。
下面通過示意圖來說明這兩個步驟：
如上圖所示，本地內存A和B有主內存中共享變量x的副本。假設初始時，這三個內存中的x值都爲0。線程A在執行時，把更新後的x值（假設值爲1）臨時存放在自己的本地內存A中。當線程A和線程B需要通信時，線程A首先會把自己本地內存中修改後的x值刷新到主內存中，此時主內存中的x值變爲了1。隨後，線程B到主內存中去讀取線程A更新後的x值，此時線程B的本地內存的x值也變爲了1。
從整體來看，這兩個步驟實質上是線程A在向線程B發送消息，而且這個通信過程必須要經過主內存。JMM通過控制主內存與每個線程的本地內存之間的交互，來爲java程序員提供內存可見性保證。
上面也說到了，Java內存模型只是一個抽象概念，那麼它在Java中具體是怎麼工作的呢？爲了更好的理解上Java內存模型工作方式，下面就JVM對Java內存模型的實現、硬件內存模型及它們之間的橋接做詳細介紹。
JVM對Java內存模型的實現
在JVM內部，Java內存模型把內存分成了兩部分：線程棧區和堆區，下圖展示了Java內存模型在JVM中的邏輯視圖：
JVM中運行的每個線程都擁有自己的線程棧，線程棧包含了當前線程執行的方法調用相關信息，我們也把它稱作調用棧。隨着代碼的不斷執行，調用棧會不斷變化。
線程棧還包含了當前方法的所有本地變量信息。一個線程只能讀取自己的線程棧，也就是說，線程中的本地變量對其它線程是不可見的。即使兩個線程執行的是同一段代碼，它們也會各自在自己的線程棧中創建本地變量，因此，每個線程中的本地變量都會有自己的版本。
所有原始類型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)的本地變量都直接保存在線程棧當中，對於它們的值各個線程之間都是獨立的。對於原始類型的本地變量，一個線程可以傳遞一個副本給另一個線程，當它們之間是無法共享的。
堆區包含了Java應用創建的所有對象信息，不管對象是哪個線程創建的，其中的對象包括原始類型的封裝類（如Byte、Integer、Long等等）。不管對象是屬於一個成員變量還是方法中的本地變量，它都會被存儲在堆區。
下圖展示了調用棧和本地變量都存儲在棧區，對象都存儲在堆區：
一個本地變量如果是原始類型，那麼它會被完全存儲到棧區。
一個本地變量也有可能是一個對象的引用，這種情況下，這個本地引用會被存儲到棧中，但是對象本身仍然存儲在堆區。
對於一個對象的成員方法，這些方法中包含本地變量，仍需要存儲在棧區，即使它們所屬的對象在堆區。
對於一個對象的成員變量，不管它是原始類型還是包裝類型，都會被存儲到堆區。
Static類型的變量以及類本身相關信息都會隨着類本身存儲在堆區。
堆中的對象可以被多線程共享。如果一個線程獲得一個對象的應用，它便可訪問這個對象的成員變量。如果兩個線程同時調用了同一個對象的同一個方法，那麼這兩個線程便可同時訪問這個對象的成員變量，但是對於本地變量，每個線程都會拷貝一份到自己的線程棧中。
下圖展示了上面描述的過程:
硬件內存架構
不管是什麼內存模型，最終還是運行在計算機硬件上的，所以我們有必要了解計算機硬件內存架構，下圖就簡單描述了當代計算機硬件內存架構：
現代計算機一般都有2個以上CPU，而且每個CPU還有可能包含多個核心。因此，如果我們的應用是多線程的話，這些線程可能會在各個CPU核心中並行運行。
在CPU內部有一組CPU寄存器，也就是CPU的儲存器。CPU操作寄存器的速度要比操作計算機主存快的多。在主存和CPU寄存器之間還存在一個CPU緩存，CPU操作CPU緩存的速度快於主存但慢於CPU寄存器。某些CPU可能有多個緩存層（一級緩存和二級緩存）。計算機的主存也稱作RAM，所有的CPU都能夠訪問主存，而且主存比上面提到的緩存和寄存器大很多。
當一個CPU需要訪問主存時，會先讀取一部分主存數據到CPU緩存，進而在讀取CPU緩存到寄存器。當CPU需要寫數據到主存時，同樣會先flush寄存器到CPU緩存，然後再在某些節點把緩存數據flush到主存。
Java內存模型和硬件架構之間的橋接
正如上面講到的，Java內存模型和硬件內存架構並不一致。硬件內存架構中並沒有區分棧和堆，從硬件上看，不管是棧還是堆，大部分數據都會存到主存中，當然一部分棧和堆的數據也有可能會存到CPU寄存器中，如下圖所示，Java內存模型和計算機硬件內存架構是一個交叉關係：
當對象和變量存儲到計算機的各個內存區域時，必然會面臨一些問題，其中最主要的兩個問題是：
1. 共享對象對各個線程的可見性2. 共享對象的競爭現象123
共享對象的可見性
當多個線程同時操作同一個共享對象時，如果沒有合理的使用volatile和synchronization關鍵字，一個線程對共享對象的更新有可能導致其它線程不可見。
想象一下我們的共享對象存儲在主存，一個CPU中的線程讀取主存數據到CPU緩存，然後對共享對象做了更改，但CPU緩存中的更改後的對象還沒有flush到主存，此時線程對共享對象的更改對其它CPU中的線程是不可見的。最終就是每個線程最終都會拷貝共享對象，而且拷貝的對象位於不同的CPU緩存中。
下圖展示了上面描述的過程。左邊CPU中運行的線程從主存中拷貝共享對象obj到它的CPU緩存，把對象obj的count變量改爲2。但這個變更對運行在右邊CPU中的線程不可見，因爲這個更改還沒有flush到主存中：
要解決共享對象可見性這個問題，我們可以使用java volatile關鍵字。 Java’s volatile keyword. volatile 關鍵字可以保證變量會直接從主存讀取，而對變量的更新也會直接寫到主存。volatile原理是基於CPU內存屏障指令實現的，後面會講到。
競爭現象
如果多個線程共享一個對象，如果它們同時修改這個共享對象，這就產生了競爭現象。
如下圖所示，線程A和線程B共享一個對象obj。假設線程A從主存讀取Obj.count變量到自己的CPU緩存，同時，線程B也讀取了Obj.count變量到它的CPU緩存，並且這兩個線程都對Obj.count做了加1操作。此時，Obj.count加1操作被執行了兩次，不過都在不同的CPU緩存中。
如果這兩個加1操作是串行執行的，那麼Obj.count變量便會在原始值上加2，最終主存中的Obj.count的值會是3。然而下圖中兩個加1操作是並行的，不管是線程A還是線程B先flush計算結果到主存，最終主存中的Obj.count只會增加1次變成2，儘管一共有兩次加1操作。
要解決上面的問題我們可以使用java synchronized代碼塊。synchronized代碼塊可以保證同一個時刻只能有一個線程進入代碼競爭區，synchronized代碼塊也能保證代碼塊中所有變量都將會從主存中讀，當線程退出代碼塊時，對所有變量的更新將會flush到主存，不管這些變量是不是volatile類型的。
volatile和 synchronized區別
volatile本質是在告訴jvm當前變量在寄存器（工作內存）中的值是不確定的，需要從主存中讀取； synchronized則是鎖定當前變量，只有當前線程可以訪問該變量，其他線程被阻塞住。
volatile僅能使用在變量級別；synchronized則可以使用在變量、方法、和類級別的
volatile僅能實現變量的修改可見性，不能保證原子性；而synchronized則可以保證變量的修改可見性和原子性
volatile不會造成線程的阻塞；synchronized可能會造成線程的阻塞。
volatile標記的變量不會被編譯器優化；synchronized標記的變量可以被編譯器優化
支撐Java內存模型的基礎原理
指令重排序
在執行程序時，爲了提高性能，編譯器和處理器會對指令做重排序。但是，JMM確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上，通過插入特定類型的Memory Barrier來禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，爲上層提供一致的內存可見性保證。
編譯器優化重排序：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序。
指令級並行的重排序：如果不存l在數據依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序。
內存系統的重排序：處理器使用緩存和讀寫緩衝區，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執行。
數據依賴性
如果兩個操作訪問同一個變量，其中一個爲寫操作，此時這兩個操作之間存在數據依賴性。
編譯器和處理器不會改變存在數據依賴性關係的兩個操作的執行順序，即不會重排序。
as-if-serial
不管怎麼重排序，單線程下的執行結果不能被改變，編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。
內存屏障（Memory Barrier ）
上面講到了，通過內存屏障可以禁止特定類型處理器的重排序，從而讓程序按我們預想的流程去執行。內存屏障，又稱內存柵欄，是一個CPU指令，基本上它是一條這樣的指令：
保證特定操作的執行順序。
影響某些數據（或則是某條指令的執行結果）的內存可見性。
編譯器和CPU能夠重排序指令，保證最終相同的結果，嘗試優化性能。插入一條Memory Barrier會告訴編譯器和CPU：不管什麼指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序。
Memory Barrier所做的另外一件事是強制刷出各種CPU cache，如一個Write-Barrier（寫入屏障）將刷出所有在Barrier之前寫入 cache 的數據，因此，任何CPU上的線程都能讀取到這些數據的最新版本。
這和java有什麼關係？上面java內存模型中講到的volatile是基於Memory Barrier實現的。
如果一個變量是volatile修飾的，JMM會在寫入這個字段之後插進一個Write-Barrier指令，並在讀這個字段之前插入一個Read-Barrier指令。這意味着，如果寫入一個volatile變量，就可以保證：
一個線程寫入變量a後，任何線程訪問該變量都會拿到最新值。
在寫入變量a之前的寫入操作，其更新的數據對於其他線程也是可見的。因爲Memory Barrier會刷出cache中的所有先前的寫入。
happens-before
從jdk5開始，java使用新的JSR-133內存模型，基於happens-before的概念來闡述操作之間的內存可見性。
在JMM中，如果一個操作的執行結果需要對另一個操作可見，那麼這兩個操作之間必須要存在happens-before關係，這個的兩個操作既可以在同一個線程，也可以在不同的兩個線程中。
與程序員密切相關的happens-before規則如下：
程序順序規則：一個線程中的每個操作，happens-before於該線程中任意的後續操作。
監視器鎖規則：對一個鎖的解鎖操作，happens-before於隨後對這個鎖的加鎖操作。
volatile域規則：對一個volatile域的寫操作，happens-before於任意線程後續對這個volatile域的讀。
傳遞性規則：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那麼A happens-before C。
注意：兩個操作之間具有happens-before關係，並不意味前一個操作必須要在後一個操作之前執行！僅僅要求前一個操作的執行結果，對於後一個操作是可見的，且前一個操作按順序排在後一個操作之前。
在此我向大家推薦一個交流學習羣：705194503 裏面會分享一些資深架構師錄製的視頻錄像：有Spring，MyBatis，Netty源碼分析，高併發、高性能、分佈式、微服務架構的原理，JVM性能優化這些成爲架構師必備的知識體系。還能領取免費的學習資源，目前受益良多。