前言

方法中的變量（即局部變量）是不存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)（Data Race）的，也是線程安全的。為了理解為什么，我們先來(lái)了一下方法是如何被執(zhí)行的，然后再分析局部變量的安全性，最后再介紹利用局部變量不會(huì)共享的特點(diǎn)而產(chǎn)生的解決并發(fā)問(wèn)題的一些技術(shù)。

方法是如何被執(zhí)行的

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

以上代碼轉(zhuǎn)換成CPU指令執(zhí)行，方法的調(diào)用過(guò)程示意圖如下：（圖來(lái)自參考[1]）

當(dāng)調(diào)用fibonacci(a)時(shí)，CPU要先找到方法fibonacci()的地址（在CPU堆棧寄存器中），然后跳轉(zhuǎn)到這個(gè)地址去執(zhí)行代碼（藍(lán)色線），最后CPU執(zhí)行完方法，再返回原來(lái)調(diào)用方法的下一條語(yǔ)句（紅色線）。

CPU找調(diào)用方法的參數(shù)和返回地址，是通過(guò)堆棧寄存器。CPU支持一種線性結(jié)構(gòu)，因?yàn)榕c方法調(diào)用有關(guān)，所以也稱(chēng)為調(diào)用棧。

再舉個(gè)例子，有三個(gè)方法A、B、C。方法A中調(diào)用方法B，方法B中調(diào)用方法C。那么將會(huì)構(gòu)建出如下調(diào)用棧。每個(gè)方法在調(diào)用棧里都有自己的獨(dú)立空間，稱(chēng)為棧幀。每個(gè)棧幀都有對(duì)應(yīng)方法需要的參數(shù)和返回地址。當(dāng)調(diào)用新方法時(shí)，會(huì)創(chuàng)建新的棧幀，并壓入調(diào)用棧；當(dāng)方法返回時(shí)，對(duì)應(yīng)的棧幀就會(huì)被自動(dòng)彈出。即，棧幀和方法同生共死。

三個(gè)方法生成的調(diào)用棧如上圖所示。

不同的編程語(yǔ)言雖定義方法雖各有所異，但是它們執(zhí)行方法的原理卻是一致的：都是依靠棧結(jié)構(gòu)解決。Java語(yǔ)言雖然是靠虛擬機(jī)解釋執(zhí)行，但是方法的調(diào)用也是利用棧結(jié)構(gòu)解決的。

局部變量的存放位置

局部變量是定義在方法內(nèi)，作用域也是在方法內(nèi)部。當(dāng)方法運(yùn)行結(jié)束后，局部變量也就失效了。那么我們可以得出，局部變量的存放位置應(yīng)該在調(diào)用棧中。事實(shí)上，局部變量就是存放到調(diào)用棧中的。

調(diào)用棧與線程

兩個(gè)線程可以同時(shí)用不同的參數(shù)調(diào)用相同的方法，那么調(diào)用棧和線程之間是什么關(guān)系呢？答案就是：每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的調(diào)用棧。

所以，Java方法里面的局部變量是不存在并發(fā)問(wèn)題的。每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的調(diào)用棧，局部變量保存在各自的調(diào)用棧中，不會(huì)被共享，自然也就沒(méi)有并發(fā)問(wèn)題。

利用不共享解決并發(fā)問(wèn)題的技術(shù): 線程封閉

當(dāng)多線程訪問(wèn)沒(méi)有同步的可變共享變量時(shí)就會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題，而解決方案之一便是使變量不共享。變量不會(huì)和其他變量共享，也就不會(huì)存在并發(fā)問(wèn)題。僅在單線程里訪問(wèn)數(shù)據(jù)，不需要同步，我們稱(chēng)之為線程封閉。當(dāng)某個(gè)對(duì)象封閉在一個(gè)線程中時(shí)，這種用法將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)線程安全性，即使被封閉的對(duì)象本身不是線程安全的。

采用線程封閉技術(shù)的案例非常多。例如一種常見(jiàn)的應(yīng)用便為JDBC的Connection對(duì)象。從數(shù)據(jù)庫(kù)連接池中獲取一個(gè)Connection對(duì)象，在JDBC規(guī)范中并沒(méi)有要求這個(gè)Connection一定是線程安全的。數(shù)據(jù)庫(kù)連接池通過(guò)線程封閉技術(shù)，保證一個(gè)Connection對(duì)象一旦被一個(gè)線程獲取之后，在這個(gè)Connection對(duì)象返回之前，連接池不會(huì)將它分配給其他線程，從而保證了Connection對(duì)象不會(huì)有并發(fā)問(wèn)題。

線程封閉技術(shù)的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)是我們上面提到的局部變量的使用（棧封閉），還有一種需要提一下，即ThreadLocal類(lèi)。

ThreadLoacl類(lèi)

維持線程封閉性一種更規(guī)范方法是使用ThreadLocal，這個(gè)類(lèi)能使線程中的某個(gè)值與保存值的對(duì)象相關(guān)聯(lián)起來(lái)。ThreadLocal提供了get()和set()等訪問(wèn)接口，這些方法為每個(gè)使用該變量的線程都存有一份獨(dú)立的副本，因此get()總是返回由當(dāng)前執(zhí)行線程在調(diào)用set()時(shí)設(shè)置的最新值。

ThreadLocal對(duì)象通常用于防止對(duì)可變的單實(shí)例變量（Singleton）或全局變量進(jìn)行共享。

例如，在單線程應(yīng)用程序中可能會(huì)維持一個(gè)全局的數(shù)據(jù)庫(kù)連接，并在線程啟動(dòng)時(shí)初始化這個(gè)連接對(duì)象，從而避免在調(diào)用每個(gè)方法時(shí)都要傳遞一個(gè)Connection對(duì)象。由于JDBC的連接對(duì)象不一定線程安全的，因此，當(dāng)多線程應(yīng)用程序在沒(méi)有協(xié)同的情況下使用全局變量時(shí)，就不是線程安全的。通過(guò)將JDBC的連接保存到ThreadLocal對(duì)象中，每個(gè)線程都會(huì)擁有屬于自己的連接。

如以下代碼所示，利用ThreadLocal來(lái)維持線程的封閉性：(代碼來(lái)自參考[2])

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

????private?ThreadLocal connectionHolder
????????= new?ThreadLocal() {
????????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();
????}
}

當(dāng)某個(gè)頻繁執(zhí)行的操作需要一個(gè)臨時(shí)對(duì)象，例如一個(gè)緩沖區(qū)，而同時(shí)又希望避免在每次執(zhí)行時(shí)都重新分配該臨時(shí)對(duì)象，就可以使用這項(xiàng)技術(shù)。例如，在Java 5.0之前，Integer.toString()方法使用ThreadLocal對(duì)象來(lái)保存一個(gè)12字節(jié)大小的緩沖區(qū)，用于對(duì)結(jié)果進(jìn)行格式化，而不是使用共享的靜態(tài)緩沖區(qū)（需要使用加鎖機(jī)制）或者每次調(diào)用時(shí)都分配一個(gè)新的緩沖區(qū)。

小結(jié)

知道方法是如何調(diào)用的也就明白了局部變量為什么是線程安全的。方法調(diào)用會(huì)產(chǎn)生棧幀，局部變量會(huì)放在棧幀的工作內(nèi)存中，線程之間不共享，故不存在線程安全問(wèn)題。后面我們介紹了基于不共享解決并發(fā)問(wèn)題的線程封閉技術(shù)，除了不共享這種思想可以解決并發(fā)問(wèn)題，還有兩種：使用不可變變量和正確使用同步機(jī)制。

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