每一個運行在 Java 虛擬機里的線程都擁有自己的線程棧。這個線程棧包含了這個線程調用的方法當前執(zhí)行點相關的信息。一個線程僅能訪問自己的線程棧。一個線程創(chuàng)建的本地變量對其它線程不可見，僅自己可見。即使兩個線程執(zhí)行同樣的代碼，這兩個線程任然在在自己的線程棧中的代碼來創(chuàng)建本地變量。因此，每個線程擁有每個本地變量的獨有版本。

所有原始類型的本地變量都存放在線程棧上，因此對其它線程不可見。一個線程可能向另一個線程傳遞一個原始類型變量的拷貝，但是它不能共享這個原始類型變量自身。

堆上包含在 Java 程序中創(chuàng)建的所有對象，無論是哪一個對象創(chuàng)建的。這包括原始類型的對象版本。如果一個對象被創(chuàng)建然后賦值給一個局部變量，或者用來作為另一個對象的成員變量，這個對象任然是存放在堆上。

下面這張圖演示了調用棧和本地變量存放在線程棧上，對象存放在堆上。

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一個本地變量可能是原始類型，在這種情況下，它總是“呆在”線程棧上。

一個本地變量也可能是指向一個對象的一個引用。在這種情況下，引用（這個本地變量）存放在線程棧上，但是對象本身存放在堆上。

一個對象可能包含方法，這些方法可能包含本地變量。這些本地變量任然存放在線程棧上，即使這些方法所屬的對象存放在堆上。

一個對象的成員變量可能隨著這個對象自身存放在堆上。不管這個成員變量是原始類型還是引用類型。

靜態(tài)成員變量跟隨著類定義一起也存放在堆上。

存放在堆上的對象可以被所有持有對這個對象引用的線程訪問。當一個線程可以訪問一個對象時，它也可以訪問這個對象的成員變量。如果兩個線程同時調用同一個對象上的同一個方法，它們將會都訪問這個對象的成員變量，但是每一個線程都擁有這個本地變量的私有拷貝。

下圖演示了上面提到的點：

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兩個線程擁有一些列的本地變量。其中一個本地變量（Local Variable 2）執(zhí)行堆上的一個共享對象（Object 3）。這兩個線程分別擁有同一個對象的不同引用。這些引用都是本地變量，因此存放在各自線程的線程棧上。這兩個不同的引用指向堆上同一個對象。

注意，這個共享對象（Object 3）持有 Object2 和 Object4 一個引用作為其成員變量（如圖中 Object3 指向 Object2 和 Object4 的箭頭）。通過在 Object3 中這些成員變量引用，這兩個線程就可以訪問 Object2 和 Object4。

這張圖也展示了指向堆上兩個不同對象的一個本地變量。在這種情況下，指向兩個不同對象的引用不是同一個對象。理論上，兩個線程都可以訪問 Object1 和 Object5，如果兩個線程都擁有兩個對象的引用。但是在上圖中，每一個線程僅有一個引用指向兩個對象其中之一。

因此，什么類型的 Java 代碼會導致上面的內存圖呢？如下所示：

public class MyRunnable implements Runnable() {

    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;

        MySharedObject localVariable2 =
            MySharedObject.sharedInstance;

        //... do more with local variables.

        methodTwo();
    }

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

        //... do more with local variable.
    }
}

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 member1 = 67890;
}

如果兩個線程同時執(zhí)行 run()方法，就會出現上圖所示的情景。run()方法調用 methodOne()方法，methodOne()調用 methodTwo()方法。

methodOne()聲明了一個原始類型的本地變量和一個引用類型的本地變量。

每個線程執(zhí)行 methodOne()都會在它們對應的線程棧上創(chuàng)建 localVariable1 和 localVariable2 的私有拷貝。localVariable1 變量彼此完全獨立，僅“生活”在每個線程的線程棧上。一個線程看不到另一個線程對它的 localVariable1 私有拷貝做出的修改。

每個線程執(zhí)行 methodOne()時也將會創(chuàng)建它們各自的 localVariable2 拷貝。然而，兩個 localVariable2 的不同拷貝都指向堆上的同一個對象。代碼中通過一個靜態(tài)變量設置 localVariable2 指向一個對象引用。僅存在一個靜態(tài)變量的一份拷貝，這份拷貝存放在堆上。因此，localVariable2 的兩份拷貝都指向由 MySharedObject 指向的靜態(tài)變量的同一個實例。MySharedObject 實例也存放在堆上。它對應于上圖中的 Object3。

注意，MySharedObject 類也包含兩個成員變量。這些成員變量隨著這個對象存放在堆上。這兩個成員變量指向另外兩個 Integer 對象。這些 Integer 對象對應于上圖中的 Object2 和 Object4.

注意，methodTwo()創(chuàng)建一個名為 localVariable 的本地變量。這個成員變量是一個指向一個 Integer 對象的對象引用。這個方法設置 localVariable1 引用指向一個新的 Integer 實例。在執(zhí)行 methodTwo 方法時，localVariable1 引用將會在每個線程中存放一份拷貝。這兩個 Integer 對象實例化將會被存儲堆上，但是每次執(zhí)行這個方法時，這個方法都會創(chuàng)建一個新的 Integer 對象，兩個線程執(zhí)行這個方法將會創(chuàng)建兩個不同的 Integer 實例。methodTwo 方法創(chuàng)建的 Integer 對象對應于上圖中的 Object1 和 Object5。

還有一點，MySharedObject 類中的兩個 long 類型的成員變量是原始類型的。因為，這些變量是成員變量，所以它們任然隨著該對象存放在堆上，僅有本地變量存放在線程棧上。

硬件內存架構

現代硬件內存模型與 Java 內存模型有一些不同。理解內存模型架構以及 Java 內存模型如何與它協(xié)同工作也是非常重要的。這部分描述了通用的硬件內存架構，下面的部分將會描述 Java 內存是如何與它“聯(lián)手”工作的。

下面是現代計算機硬件架構的簡單圖示：

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一個現代計算機通常由兩個或者多個 CPU。其中一些 CPU 還有多核。從這一點可以看出，在一個有兩個或者多個 CPU 的現代計算機上同時運行多個線程是可能的。每個 CPU 在某一時刻運行一個線程是沒有問題的。這意味著，如果你的 Java 程序是多線程的，在你的 Java 程序中每個 CPU 上一個線程可能同時（并發(fā)）執(zhí)行。

每個 CPU 都包含一系列的寄存器，它們是 CPU 內內存的基礎。CPU 在寄存器上執(zhí)行操作的速度遠大于在主存上執(zhí)行的速度。這是因為 CPU 訪問寄存器的速度遠大于主存。

每個 CPU 可能還有一個 CPU 緩存層。實際上，絕大多數的現代 CPU 都有一定大小的緩存層。CPU 訪問緩存層的速度快于訪問主存的速度，但通常比訪問內部寄存器的速度還要慢一點。一些 CPU 還有多層緩存，但這些對理解 Java 內存模型如何和內存交互不是那么重要。只要知道 CPU 中可以有一個緩存層就可以了。

一個計算機還包含一個主存。所有的 CPU 都可以訪問主存。主存通常比 CPU 中的緩存大得多。

通常情況下，當一個 CPU 需要讀取主存時，它會將主存的部分讀到 CPU 緩存中。它甚至可能將緩存中的部分內容讀到它的內部寄存器中，然后在寄存器中執(zhí)行操作。當 CPU 需要將結果寫回到主存中去時，它會將內部寄存器的值刷新到緩存中，然后在某個時間點將值刷新回主存。

當 CPU 需要在緩存層存放一些東西的時候，存放在緩存中的內容通常會被刷新回主存。CPU 緩存可以在某一時刻將數據局部寫到它的內存中，和在某一時刻局部刷新它的內存。它不會再某一時刻讀/寫整個緩存。通常，在一個被稱作“cache lines”的更小的內存塊中緩存被更新。一個或者多個緩存行可能被讀到緩存，一個或者多個緩存行可能再被刷新回主存。

Java 內存模型和硬件內存架構之間的橋接

上面已經提到，Java 內存模型與硬件內存架構之間存在差異。硬件內存架構沒有區(qū)分線程棧和堆。對于硬件，所有的線程棧和堆都分布在主內中。部分線程棧和堆可能有時候會出現在 CPU 緩存中和 CPU 內部的寄存器中。如下圖所示：

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當對象和變量被存放在計算機中各種不同的內存區(qū)域中時，就可能會出現一些具體的問題。主要包括如下兩個方面：

線程對共享變量修改的可見性
當讀，寫和檢查共享變量時出現 race conditions

下面我們專門來解釋以下這兩個問題。

共享對象可見性

如果兩個或者更多的線程在沒有正確的使用 volatile 聲明或者同步的情況下共享一個對象，一個線程更新這個共享對象可能對其它線程來說是不接見的。

想象一下，共享對象被初始化在主存中。跑在 CPU 上的一個線程將這個共享對象讀到 CPU 緩存中。然后修改了這個對象。只要 CPU 緩存沒有被刷新會主存，對象修改后的版本對跑在其它 CPU 上的線程都是不可見的。這種方式可能導致每個線程擁有這個共享對象的私有拷貝，每個拷貝停留在不同的 CPU 緩存中。

下圖示意了這種情形。跑在左邊 CPU 的線程拷貝這個共享對象到它的 CPU 緩存中，然后將 count 變量的值修改為 2。這個修改對跑在右邊 CPU 上的其它線程是不可見的，因為修改后的 count 的值還沒有被刷新回主存中去。

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解決這個問題你可以使用 Java 中的 volatile 關鍵字。volatile 關鍵字可以保證直接從主存中讀取一個變量，如果這個變量被修改后，總是會被寫回到主存中去。

Race Conditions

如果兩個或者更多的線程共享一個對象，多個線程在這個共享對象上更新變量，就有可能發(fā)生 race conditions。

想象一下，如果線程 A 讀一個共享對象的變量 count 到它的 CPU 緩存中。再想象一下，線程 B 也做了同樣的事情，但是往一個不同的 CPU 緩存中?，F在線程 A 將 count 加 1，線程 B 也做了同樣的事情?，F在 count 已經被增在了兩個，每個 CPU 緩存中一次。

如果這些增加操作被順序的執(zhí)行，變量 count 應該被增加兩次，然后原值+2 被寫回到主存中去。

然而，兩次增加都是在沒有適當的同步下并發(fā)執(zhí)行的。無論是線程 A 還是線程 B 將 count 修改后的版本寫回到主存中取，修改后的值僅會被原值大 1，盡管增加了兩次。

下圖演示了上面描述的情況：

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解決這個問題可以使用 Java 同步塊。一個同步塊可以保證在同一時刻僅有一個線程可以進入代碼的臨界區(qū)。同步塊還可以保證代碼塊中所有被訪問的變量將會從主存中讀入，當線程退出同步代碼塊時，所有被更新的變量都會被刷新回主存中去，不管這個變量是否被聲明為 volatile。