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Java 內存模型展示了Java虛擬機是如何與計算機內存交互的，解決多線程讀寫共享內存時資源訪問的問題。

內存模型

Java虛擬機中的內存模型將線程棧與堆劃分開，下圖描述了Java內存模型的邏輯圖。

Java內存模型的深入講解

每個線程都要自己的線程棧，棧中存儲著線程執行到當前位置所調用的方法信息，線程執行代碼時，線程棧會不斷執行入棧和出棧操作。

線程棧中會存儲所有被調用的方法中定義的變量，并且自己訪問自己棧中的變量，別的線程不可見。即使兩個線程執行相同的代碼，也會在線程自己的棧中重復創建變量。一個線程可能會傳遞變量副本給另一個線程，但不能共享變量本身。

在棧中變量存儲形式也有所不同。屬于基本變量類型（int，byte，long，boolean，char，double，float，short）的變量，會直接將變量值存儲在棧中，而其余類型的變量的值被存儲在堆中，線程棧中只保留指向堆中變量地址的指針。
堆中則存儲Java程序中創建的所有對象，不管是什么線程創建的。創建對象并將其分配給局部變量，或者將其創建為另一個對象的成員變量都沒有影響，該對象仍存儲在堆中。

Java內存模型的深入講解

值得注意的是，Java中的靜態類變量也會隨著類初始化而存儲在堆中。

有指向對象指針的所有線程都可以訪問堆上的對象。當線程可以訪問對象時，它也可以訪問該對象的成員變量。如果兩個線程同時在同一個對象上調用一個方法，則它們都將有權訪問該對象的成員變量，但是每個線程將擁有自己的局部變量副本。

Java內存模型的深入講解

兩個線程有一組局部變量，指向堆上的共享對象。這兩個線程分別具有對同一對象的不同指針。它們的指針也是局部變量，因此存儲在每個線程的線程棧中（在每個線程上）。但是，兩個不同的指針指向堆上的同一對象。
下面的代碼塊就是上圖的一個實際例子。

public class MyRunnable implements Runnable() {

    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;
        MySharedObject localVariable2 = MySharedObject.sharedInstance;
        //...
        methodTwo();
    }

    public void methodTwo() {
        Integer localVariable1 = new Integer(99);
        //...
    }
}

public class MySharedObject {

    //static variable pointing to instance of MySharedObject
    public static final MySharedObject sharedInstance = new MySharedObject();

    //member variables pointing to two objects on the heap
    public Integer object2 = new Integer(22);
    public Integer object4 = new Integer(44);

    public long member1 = 12345;
    public long member2 = 67890;
}

硬件架構

現代硬件的內存架構與Java內存模型還是有些不同的，了解硬件架構對理解Java內存模型也有幫助。簡單的硬件架構圖如下：

Java內存模型的深入講解

現代計算機一般是多核CPU，一般不止一個CPU，因此多個線程是可能在物理意義上并發運行的。這意味著，如果Java應用程序是多線程的，則每個CPU可能在Java應用程序中同時（并發）運行一個線程。

每個CPU包含一組寄存器，這些寄存器本質上是CPU內存儲器。CPU在這些寄存器上執行操作的速度比對主存儲器中的變量執行操作的速度快得多，這是因為CPU可以比訪問主存儲器更快地訪問這些寄存器。

每個CPU可能還具有一個CPU高速緩存。實際上，大多數現代CPU都有一定大小的高速緩存。CPU可以比其主存儲器更快地訪問其高速緩存，但是通常不如其訪問其內部寄存器的速度快。因此，CPU高速緩存存儲器位于內部寄存器和主存儲器之間的速度之間。某些CPU可能具有多個高速緩存層（L1和L2 Cache）。了解Java內存模型如何與內存交互并不是很重要，重要的是要知道CPU可以具有某種高速緩存層。

計算機還包含一個主存儲區（RAM）。所有CPU都可以訪問主存儲器。主存儲區通常比CPU的高速緩存大得多。

通常，當CPU需要訪問主內存時，它將部分主內存讀入其CPU緩存中。它甚至可以將緩存的一部分讀入其內部寄存器，然后對其執行操作。當CPU需要將結果寫回主存儲器時，它將把值從其內部寄存器刷新到高速緩存，然后在某個時候將值刷新回主存儲器。

當CPU需要將其他內容存儲在高速緩存中時，通常會將高速緩存中存儲的值刷新回主存儲器。CPU高速緩存可以一次將數據寫入其部分內存，并一次刷新其部分內存。它不必每次更新都讀取/寫入完整的緩存。通常，緩存在稱為“緩存行”的較小存儲塊中更新，可以將一個或多個高速緩存行讀入高速緩存存儲器，并且可以將一個或多個高速緩存行再次刷新回主存儲器。