Java并发编程—Java线程(下):为什么局部变量是线程安全的?


我们一遍一遍重复再重复地讲到,多个线程同时访问共享变量的时候,会导致并发问题。那在 Java 语言里,是不是所有变量都是共享变量呢?工作中我发现不少同学会给方法里面的局部变量设置同步,显然这些同学并没有把共享变量搞清楚。那 Java 方法里面的局部变量是否存在并发问题呢?下面我们就先结合一个例子剖析下这个问题。

比如,下面代码里的 fibonacci() 这个方法,会根据传入的参数 n ,返回 1 到 n 的斐波那契数列,斐波那契数列类似这样: 1、1、2、3、5、8、13、21、34……第 1 项和第 2 项是 1,从第 3 项开始,每一项都等于前两项之和。在这个方法里面,有个局部变量:数组 r 用来保存数列的结果,每次计算完一项,都会更新数组 r 对应位置中的值。你可以思考这样一个问题,当多个线程调用 fibonacci() 这个方法的时候,数组 r 是否存在数据竞争(Data Race)呢?

// 返回斐波那契数列
int[] fibonacci(int n) {
  // 创建结果数组
  int[] r = new int[n];
  // 初始化第一、第二个数
  r[0] = r[1] = 1;  // ①
  // 计算 2..n
  for(int i = 2; i < n; i++) {
      r[i] = r[i-2] + r[i-1];
  }
  return r;
}

你自己可以在大脑里模拟一下多个线程调用 fibonacci() 方法的情景,假设多个线程执行到 ① 处,多个线程都要对数组 r 的第 1 项和第 2 项赋值,这里看上去感觉是存在数据竞争的,不过感觉再次欺骗了你。

其实很多人也是知道局部变量不存在数据竞争的,但是至于原因嘛,就说不清楚了。

那它背后的原因到底是怎样的呢?要弄清楚这个,你需要一点编译原理的知识。你知道在 CPU 层面,是没有方法概念的,CPU 的眼里,只有一条条的指令。编译程序,负责把高级语言里的方法转换成一条条的指令。所以你可以站在编译器实现者的角度来思考“怎么完成方法到指令的转换”。

方法是如何被执行的

高级语言里的普通语句,例如上面的r[i] = r[i-2] + r[i-1];翻译成 CPU 的指令相对简单,可方法的调用就比较复杂了。例如下面这三行代码:第 1 行,声明一个 int 变量 a;第 2 行,调用方法 fibonacci(a);第 3 行,将 b 赋值给 c。

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

当你调用 fibonacci(a) 的时候,CPU 要先找到方法 fibonacci() 的地址,然后跳转到这个地址去执行代码,最后 CPU 执行完方法 fibonacci() 之后,要能够返回。首先找到调用方法的下一条语句的地址:也就是int[] c=b;的地址,再跳转到这个地址去执行。 你可以参考下面这个图再加深一下理解。

到这里,方法调用的过程想必你已经清楚了,但是还有一个很重要的问题,“CPU 去哪里找到调用方法的参数和返回地址?”如果你熟悉 CPU 的工作原理,你应该会立刻想到:通过 CPU 的堆栈寄存器。CPU 支持一种栈结构,栈你一定很熟悉了,就像手枪的弹夹,先入后出。因为这个栈是和方法调用相关的,因此经常被称为调用栈

例如,有三个方法 A、B、C,他们的调用关系是 A->B->C(A 调用 B,B 调用 C),在运行时,会构建出下面这样的调用栈。每个方法在调用栈里都有自己的独立空间,称为栈帧,每个栈帧里都有对应方法需要的参数和返回地址。当调用方法时,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。也就是说,栈帧和方法是同生共死的

利用栈结构来支持方法调用这个方案非常普遍,以至于 CPU 里内置了栈寄存器。虽然各家编程语言定义的方法千奇百怪,但是方法的内部执行原理却是出奇的一致:都是靠栈结构解决的。Java 语言虽然是靠虚拟机解释执行的,但是方法的调用也是利用栈结构解决的。

局部变量存哪里?

我们已经知道了方法间的调用在 CPU 眼里是怎么执行的,但还有一个关键问题:方法内的局部变量存哪里?

局部变量的作用域是方法内部,也就是说当方法执行完,局部变量就没用了,局部变量应该和方法同生共死。此时你应该会想到调用栈的栈帧,调用栈的栈帧就是和方法同生共死的,所以局部变量放到调用栈里那儿是相当的合理。事实上,的确是这样的,局部变量就是放到了调用栈里。于是调用栈的结构就变成了下图这样。

这个结论相信很多人都知道,因为学 Java 语言的时候,基本所有的教材都会告诉你 new 出来的对象是在堆里,局部变量是在栈里,只不过很多人并不清楚堆和栈的区别,以及为什么要区分堆和栈。现在你应该很清楚了,局部变量是和方法同生共死的,一个变量如果想跨越方法的边界,就必须创建在堆里。

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,那调用栈和线程之间是什么关系呢?答案是:每个线程都有自己独立的调用栈。因为如果不是这样,那两个线程就互相干扰了。如下面这幅图所示,线程 A、B、C 每个线程都有自己独立的调用栈。

现在,让我们回过头来再看篇首的问题:Java 方法里面的局部变量是否存在并发问题?现在你应该很清楚了,一点问题都没有。因为每个线程都有自己的调用栈,局部变量保存在线程各自的调用栈里面,不会共享,所以自然也就没有并发问题。再次重申一遍:没有共享,就没有伤害。

线程封闭

方法里的局部变量,因为不会和其他线程共享,所以没有并发问题,这个思路很好,已经成为解决并发问题的一个重要技术,同时还有个响当当的名字叫做线程封闭,比较官方的解释是:仅在单线程内访问数据。由于不存在共享,所以即便不同步也不会有并发问题,性能杠杠的。

采用线程封闭技术的案例非常多,例如从数据库连接池里获取的连接 Connection,在 JDBC 规范里并没有要求这个 Connection 必须是线程安全的。数据库连接池通过线程封闭技术,保证一个 Connection 一旦被一个线程获取之后,在这个线程关闭 Connection 之前的这段时间里,不会再分配给其他线程,从而保证了 Connection 不会有并发问题。

参考资料


文章作者: 张权
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