【高併發】面試官問我:為什麼區域性變數是執行緒安全的?

冰河團隊發表於2020-10-24

寫在前面

相信很多小夥伴都知道區域性變數是執行緒安全的,那你知道為什麼區域性變數是執行緒安全的嗎?

前言

多個執行緒同時訪問共享變數時,會導致併發問題。那麼,如果將變數放在方法內部,是不是還會存在併發問題呢?如果不存在併發問題,那麼為什麼不會存在併發問題呢?

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,列印斐波那契數列。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程式碼來生成斐波那契數列。

//生成斐波那契數列
public int[] fibonacci(int n){
    //存放結果的陣列
    int[] result = new int[n];
    //陣列的第1項和第2項為1
    result[0] = result[1] = 1;
    //計算第3項到第n項
    for(int i = 2; i < n; i++){
        result[i] = result[i-2] + result[i-1];
    }
    return result;
}

假設此時有很多個執行緒同時呼叫fibonacci()方法來生成斐波那契數列,對於方法中的區域性變數result,會不會存線上程安全的問題呢?答案是:不會!!

接下來,我們就深入分析下為什麼區域性變數不會存線上程安全的問題!

方法是如何被執行的?

我們以下面的三行程式碼為例。

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

當我們呼叫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程式碼,執行完畢後,需要返回並找到呼叫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。

這裡需要注意的是:CPU會通過堆疊暫存器找到呼叫方法的引數和返回地址。

例如,有三個方法A、B、C,呼叫關係為A呼叫B,B呼叫C。在執行時,會構建出相應的呼叫棧,我們可以用下圖簡單的表示這個呼叫棧。

每個方法在呼叫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引數和返回地址。當呼叫方法時,會建立新的棧幀,並壓入呼叫棧;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:棧幀是在呼叫方法時建立,方法返回時“消亡”。

區域性變數存放在哪裡?

區域性變數的作用域在方法內部,當方法執行完,區域性變數也就沒用了。可以這麼說,方法返回時,區域性變數也就“消亡”了。此時,我們會聯想到呼叫棧的棧幀。沒錯,區域性變數就是存放在呼叫棧裡的。此時,我們可以將方法的呼叫棧用下圖表示。

很多人都知道,區域性變數會存放在棧裡。如果一個變數需要跨越方法的邊界,就必須建立在堆裡。

呼叫棧與執行緒

兩個執行緒就可以同時用不同的引數呼叫相同的方法。那麼問題來了,呼叫棧和執行緒之間是什麼關係呢?答案是:每個執行緒都有自己獨立的呼叫棧。我們可以使用下圖來簡單的表示這種關係。

此時,我們在看下文中開頭的問題:Java方法內部的區域性變數是否存在併發問題?答案是不存在併發問題!因為每個執行緒都有自己的呼叫棧,區域性變數儲存線上程各自的呼叫棧裡,不會共享,自然也就不存在併發問題。

執行緒封閉

方法裡的區域性變數,因為不會和其他執行緒共享,所以不會存在併發問題。這種解決問題的技術也叫做執行緒封閉。官方的解釋為:僅在單執行緒內訪問資料。由於不存在共享,所以即使不設定同步,也不會出現併發問題!

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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