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【高並發】面試官問我:為什麼局部變量是線程安全的?


寫在前面

相信很多小伙伴都知道局部變量是線程安全的,那你知道為什麼局部變量是線程安全的嗎?

前言

多個線程同時訪問共享變量時,會導致並發問題。那麼,如果將變量放在方法內部,是不是還會存在並發問題呢?如果不存在並發問題,那麼為什麼不會存在並發問題呢?

著名的斐波那契數列

記得上學的時候,我們都會遇到這樣一種題目,打印斐波那契數列。斐波那契數列是這樣的一個數列:1、1、2、3、5、8、13、21、34…,也就是說第1項和第2項是1,從第3項開始,每一項都等於前2項之和。我們可以使用下面的代碼來生成斐波那契數列。

//生成斐波那契数列
public int[] fibonacci(int n){
//存放结果的数组
int[] result = new int[n];
//数组的第1项和第2项为1
result[0] = result[1] = 1;
//计算第3项到第n项
for(int i = 2; i < n; i++){ result[i] = result[i-2] + result[i-1]; } return result; }

假設此時有很多個線程同時調用fibonacci()方法來生成斐波那契數列,對於方法中的局部變量result,會不會存在線程安全的問題呢?答案是:不會! !

接下來,我們就深入分析下為什麼局部變量不會存在線程安全的問題!

方法是如何被執行的?

我們以下面的三行代碼為例。

int x = 5;
int[] y = fibonacci(x);
int[] z = y;

當我們調用fibonacci(x)時,CPU要先找到fibonacci()方法的地址,然後跳轉到這個地址去執行代碼,執行完畢後,需要返回並找到調用方法的下一條語句的地址,也就是int[] z = y的地址,再跳到這個地址去執行。我們可以將這個過程簡化成下圖所示。

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這裡需要注意的是:CPU會通過堆棧寄存器找到調用方法的參數和返回地址。

例如,有三個方法A、B、C,調用關係為A調用B,B調用C。在運行時,會構建出相應的調用棧,我們可以用下圖簡單的表示這個調用棧。

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每個方法在調用棧裡都會有自己獨立的棧幀,每個棧幀裡都有對應方法需要的參數和返回地址。當調用方法時,會創建新的棧幀,並壓入調用棧;當方法返回時,對應的棧幀就會被自動彈出。

我們可以這樣說:棧幀是在調用方法時創建,方法返回時“消亡”。

局部變量存放在哪裡?

局部變量的作用域在方法內部,當方法執行完,局部變量也就沒用了。可以這麼說,方法返回時,局部變量也就“消亡”了。此時,我們會聯想到調用棧的棧幀。沒錯,局部變量就是存放在調用棧裡的。此時,我們可以將方法的調用棧用下圖表示。

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很多人都知道,局部變量會存放在棧裡。如果一個變量需要跨越方法的邊界,就必須創建在堆裡。

調用棧與線程

兩個線程就可以同時用不同的參數調用相同的方法。那麼問題來了,調用棧和線程之間是什麼關係呢?答案是:每個線程都有自己獨立的調用棧。我們可以使用下圖來簡單的表示這種關係。

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此時,我們在看下文中開頭的問題:Java方法內部的局部變量是否存在並發問題?答案是不存在並發問題!因為每個線程都有自己的調用棧,局部變量保存在線程各自的調用棧裡,不會共享,自然也就不存在並發問題。

線程封閉

方法裡的局部變量,因為不會和其他線程共享,所以不會存在並發問題。這種解決問題的技術也叫做線程封閉。官方的解釋為:僅在單線程內訪問數據。由於不存在共享,所以即使不設置同步,也不會出現並發問題!

好了,今天我們就到這兒吧,祝大家節日快樂,我們下期見! !

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寫在最後

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