[併發理論基礎] 11 | Java線程（下）：爲什麼局部變量是線程安全的？
文章目錄
一、方法是如何被執行的
int a = 7；
int[] b = fibonacci(a);
int[] c = b;
以上代碼轉換成CPU指令執行，方法的調用過程示意圖如下：
當調用fibonacci(a)時，CPU要先找到方法fibonacci()的地址（在CPU堆棧寄存器中），然後跳轉到這個地址去執行代碼（藍色線），最後CPU執行完方法，再返回原來調用方法的下一條語句（紅色線）。
CPU找調用方法的參數和返回地址，是通過堆棧寄存器。CPU支持一種線性結構，因爲與方法調用有關，所以也稱爲調用棧。
再舉個例子，有三個方法A、B、C。方法A中調用方法B，方法B中調用方法C。那麼將會構建出如下調用棧。每個方法在調用棧裏都有自己的獨立空間，稱爲棧幀。每個棧幀都有對應方法需要的參數和返回地址。當調用新方法時，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。即，棧幀和方法同生共死。
三個方法生成的調用棧如上圖所示。
不同的編程語言雖定義方法雖各有所異，但是它們執行方法的原理卻是一致的：都是依靠棧結構解決。Java語言雖然是靠虛擬機解釋執行，但是方法的調用也是利用棧結構解決的。
二、局部變量的存放位置
局部變量是定義在方法內，作用域也是在方法內部。當方法運行結束後，局部變量也就失效了。那麼我們可以得出，局部變量的存放位置應該在調用棧中。事實上，局部變量就是存放到調用棧中的。
三、調用棧與線程
兩個線程可以同時用不同的參數調用相同的方法，那麼調用棧和線程之間是什麼關係呢？答案就是：每個線程都有自己獨立的調用棧。
所以，Java方法裏面的局部變量是不存在併發問題的。每個線程都有自己獨立的調用棧，局部變量保存在各自的調用棧中，不會被共享，自然也就沒有併發問題。
四、利用不共享解決併發問題的技術: 線程封閉
當多線程訪問沒有同步的可變共享變量時就會出現併發問題，而解決方案之一便是使變量不共享。變量不會和其他變量共享，也就不會存在併發問題。僅在單線程裏訪問數據，不需要同步，我們稱之爲線程封閉。當某個對象封閉在一個線程中時，這種用法將自動實現線程安全性，即使被封閉的對象本身不是線程安全的。
採用線程封閉技術的案例非常多。例如一種常見的應用便爲JDBC的Connection對象。從數據庫連接池中獲取一個Connection對象，在JDBC規範中並沒有要求這個Connection一定是線程安全的。數據庫連接池通過線程封閉技術，保證一個Connection對象一旦被一個線程獲取之後，在這個Connection對象返回之前，連接池不會將它分配給其他線程，從而保證了Connection對象不會有併發問題。
線程封閉技術的一個具體實現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。
ThreadLoacl類
維持線程封閉性一種更規範方法是使用ThreadLocal，這個類能使線程中的某個值與保存值的對象相關聯起來。ThreadLocal提供了get()和set()等訪問接口，這些方法爲每個使用該變量的線程都存有一份獨立的副本，因此get()總是返回由當前執行線程在調用set()時設置的最新值。
ThreadLocal對象通常用於防止對可變的單實例變量（Singleton）或全局變量進行共享。
例如，在單線程應用程序中可能會維持一個全局的數據庫連接，並在線程啓動時初始化這個連接對象，從而避免在調用每個方法時都要傳遞一個Connection對象。由於JDBC的連接對象不一定線程安全的，因此，當多線程應用程序在沒有協同的情況下使用全局變量時，就不是線程安全的。通過將JDBC的連接保存到ThreadLocal對象中，每個線程都會擁有屬於自己的連接。
如以下代碼所示，利用ThreadLocal來維持線程的封閉性：
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();
}
}
當某個頻繁執行的操作需要一個臨時對象，例如一個緩衝區，而同時又希望避免在每次執行時都重新分配該臨時對象，就可以使用這項技術。例如，在Java 5.0之前，Integer.toString()方法使用ThreadLocal對象來保存一個12字節大小的緩衝區，用於對結果進行格式化，而不是使用共享的靜態緩衝區（需要使用加鎖機制）或者每次調用時都分配一個新的緩衝區。