[并发理论基础] 11 | Java线程（下）：局部变量

[并发理论基础] 11 | Java线程（下）：为什么局部变量是线程安全的？

一、方法是如何被执行的

int a = 7；
int[] b = fibonacci(a);
int[] c = b;

以上代码转换成CPU指令执行，方法的调用过程示意图如下：

当调用fibonacci(a)时，CPU要先找到方法fibonacci()的地址（在CPU堆栈寄存器中），然后跳转到这个地址去执行代码（蓝色线），最后CPU执行完方法，再返回原来调用方法的下一条语句（红色线）。

CPU找调用方法的参数和返回地址，是通过堆栈寄存器。CPU支持一种线性结构，因为与方法调用有关，所以也称为调用栈。

再举个例子，有三个方法A、B、C。方法A中调用方法B，方法B中调用方法C。那么将会构建出如下调用栈。每个方法在调用栈里都有自己的独立空间，称为栈帧。每个栈帧都有对应方法需要的参数和返回地址。当调用新方法时，会创建新的栈帧，并压入调用栈；当方法返回时，对应的栈帧就会被自动弹出。即，栈帧和方法同生共死。

三个方法生成的调用栈如上图所示。

不同的编程语言虽定义方法虽各有所异，但是它们执行方法的原理却是一致的：都是依靠栈结构解决。Java语言虽然是靠虚拟机解释执行，但是方法的调用也是利用栈结构解决的。

二、局部变量的存放位置

局部变量是定义在方法内，作用域也是在方法内部。当方法运行结束后，局部变量也就失效了。那么我们可以得出，局部变量的存放位置应该在调用栈中。事实上，局部变量就是存放到调用栈中的。

三、调用栈与线程

两个线程可以同时用不同的参数调用相同的方法，那么调用栈和线程之间是什么关系呢？答案就是：每个线程都有自己独立的调用栈。

所以，Java方法里面的局部变量是不存在并发问题的。每个线程都有自己独立的调用栈，局部变量保存在各自的调用栈中，不会被共享，自然也就没有并发问题。

四、利用不共享解决并发问题的技术: 线程封闭

当多线程访问没有同步的可变共享变量时就会出现并发问题，而解决方案之一便是使变量不共享。变量不会和其他变量共享，也就不会存在并发问题。仅在单线程里访问数据，不需要同步，我们称之为线程封闭。当某个对象封闭在一个线程中时，这种用法将自动实现线程安全性，即使被封闭的对象本身不是线程安全的。

采用线程封闭技术的案例非常多。例如一种常见的应用便为JDBC的Connection对象。从数据库连接池中获取一个Connection对象，在JDBC规范中并没有要求这个Connection一定是线程安全的。数据库连接池通过线程封闭技术，保证一个Connection对象一旦被一个线程获取之后，在这个Connection对象返回之前，连接池不会将它分配给其他线程，从而保证了Connection对象不会有并发问题。

线程封闭技术的一个具体实现是我们上面提到的局部变量的使用（栈封闭），还有一种需要提一下，即ThreadLocal类。

ThreadLoacl类

维持线程封闭性一种更规范方法是使用ThreadLocal，这个类能使线程中的某个值与保存值的对象相关联起来。ThreadLocal提供了get()和set()等访问接口，这些方法为每个使用该变量的线程都存有一份独立的副本，因此get()总是返回由当前执行线程在调用set()时设置的最新值。

ThreadLocal对象通常用于防止对可变的单实例变量（Singleton）或全局变量进行共享。

例如，在单线程应用程序中可能会维持一个全局的数据库连接，并在线程启动时初始化这个连接对象，从而避免在调用每个方法时都要传递一个Connection对象。由于JDBC的连接对象不一定线程安全的，因此，当多线程应用程序在没有协同的情况下使用全局变量时，就不是线程安全的。通过将JDBC的连接保存到ThreadLocal对象中，每个线程都会拥有属于自己的连接。

如以下代码所示，利用ThreadLocal来维持线程的封闭性：

public class ConnectionDispenser {
    static String DB_URL = "jdbc:mysql://localhost/mydatabase";

    private ThreadLocal<Connection> connectionHolder
        = new ThreadLocal<Connection>() {
        public Connection initialValue() {
            try {
                return DriverManager.getConnection(DB_URL);
            } catch (SQLException e) {
                throw new RuntimeException("Unable to acquire Connection, e");
            }
        };
    };

    public Connection getConnection() {
        return connectionHolder.get();
    }
}

当某个频繁执行的操作需要一个临时对象，例如一个缓冲区，而同时又希望避免在每次执行时都重新分配该临时对象，就可以使用这项技术。例如，在Java 5.0之前，Integer.toString()方法使用ThreadLocal对象来保存一个12字节大小的缓冲区，用于对结果进行格式化，而不是使用共享的静态缓冲区（需要使用加锁机制）或者每次调用时都分配一个新的缓冲区。