11 | Java线程（下）：为什么局部变量是线程安全的？

Mar 23, 2019

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11 | Java线程（下）：为什么局部变量是线程安全的？

2019-03-23 王宝令来自北京

《Java并发编程实战》

课程介绍

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讲述：王宝令

时长07:40大小7.01M

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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 = 7；
int[] 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。
方法的调用过程
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。
调用栈结构
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。
保护局部变量的调用栈结构
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。
线程与调用栈的关系图
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。
总结调用栈是一个通用的计算机概念，所有的编程语言都会涉及到，Java 调用栈相关的知识，我并没有花费很大的力气去深究，但是靠着那点 C 语言的知识，稍微思考一下，基本上也就推断出来了。工作了十几年，我发现最近几年和前些年最大的区别是：很多技术的实现原理我都是靠推断，然后看源码验证，而不是像以前一样纯粹靠看源码来总结了。
建议你也多研究原理性的东西、通用的东西，有这些东西之后再学具体的技术就快多了。
课后思考常听人说，递归调用太深，可能导致栈溢出。你思考一下原因是什么？有哪些解决方案呢？
欢迎在留言区与我分享你的想法，也欢迎你在留言区记录你的思考过程。感谢阅读，如果你觉得这篇文章对你有帮助的话，也欢迎把它分享给更多的朋友。

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精选留言(99)

uyong
2019-03-23
栈溢出原因：因为每调用一个方法就会在栈上创建一个栈帧，方法调用结束后就会弹出该栈帧，而栈的大小不是无限的，所以递归调用次数过多的话就会导致栈溢出。而递归调用的特点是每递归一次，就要创建一个新的栈帧，而且还要保留之前的环境（栈帧），直到遇到结束条件。所以递归调用一定要明确好结束条件，不要出现死循环，而且要避免栈太深。解决方法： 1. 简单粗暴，不要使用递归，使用循环替代。缺点：代码逻辑不够清晰； 2. 限制递归次数； 3. 使用尾递归，尾递归是指在方法返回时只调用自己本身，且不能包含表达式。编译器或解释器会把尾递归做优化，使递归方法不论调用多少次，都只占用一个栈帧，所以不会出现栈溢出。然鹅，Java没有尾递归优化。
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作者回复: 很全面了。所有的递归算法都可以用非递归算法实现，大学老师好像还出过这样一道题......
共 15 条评论
227
suynan
2019-03-25
对于这句话：“ new 出来的对象是在堆里，局部变量在栈里” 我觉得应该是对象在堆里，引用（句柄）在栈里
作者回复: 是的
共 12 条评论
72
西西弗与卡夫卡
2019-03-23
因为调用方法时局部变量会进线程的栈帧，线程的栈内存是有限的，而递归没控制好容易造成太多层次调用，最终栈溢出。解决思路一是开源节流，即减少多余的局部变量或扩大栈内存大小设置，减少调用层次涉及具体业务逻辑，优化空间有限；二是改弦更张，即想办法消除递归，比如说能否改造成尾递归（Java会优化掉尾递归）
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作者回复: 没怎么听说Java尾递归优化的事情，不太确定。最好不要依赖这个
27
Geek_cc0a3b
2019-03-24
new 出来的对象是在堆里，局部变量是在栈里，那方法中new出来的对象属于局部变量，是保存在堆里还是在栈里呢？
作者回复: 对象堆里，但是指针在栈里
共 9 条评论
26
Xiao
2019-03-27
如果方法内部又有多线程，那方法内部的局部变量是不是也不是线程安全。
作者回复: 你看看编译器允不允许这样做吧
共 11 条评论
19
ack
2019-03-23
如果是jvm栈空间太小了导致的栈溢出，可以通过-Xss增大栈空间大小。并且递归方法一定要有终止的return条件
16
bing
2019-03-23
当遇到递归时，可能出现栈空间不足，出现栈溢出，再申请资源扩大栈空间，如果空间还是不足会出现内存溢出oom。合理的设置栈空间大小；写递归方法注意判断层次；能用递归的地方大多数能改写成非递归方式。
作者回复: 全面！
15
锦
2019-04-19
老师我有个问题：有一个方法的参数是引用类型，方法内定义了一个局部变量，在方法内将引用类型的参数赋值给该局部变量，然后再操作该局部变量会不会存在线程安全问题？比如： void test(account a){ account b = a; b.addMoney(100); }
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作者回复: 存在
共 7 条评论
8
卡西米
2019-03-23
请教一个问题JAVA的栈跟cpu的栈有什么关系？
作者回复: 没关系，只是原理类似
8
Thong2018
2019-08-26
看老师讲Java并发编程的知识，让我明白了很多之前在大学里没有学明白的知识点。要是大学的专业课本也能像老师这样讲得通俗易懂而又不失深度就好了，用“大道至简”来形容老师的授课风格再好不过了
作者回复: 过奖了😄
7
crudBoy
2019-05-09
其实就是并发调用方法而产生的局部变量指向的内存地址都是不同的。所以同一时刻只会有一个线程去操作这些局部变量指向的内存。
7
文兄
2019-12-06
局部变量是线程安全的对于这句话我的理解是，在方法内创建的变量是线程安全的那么方法的入参，是否是线程安全的呢方法的入参是对象的情况下还是否是线程安全的呢希望有大手子答疑
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作者回复: 粗略的结论是，引用传递不安全，值传递安全
共 2 条评论
5
邢宇超
2019-07-15
CPU 的堆栈寄存器和栈帧什么关系老师求你回答一下我一个问题吧我的问题你都没回答过
作者回复: 堆栈寄存器指向栈顶内存地址
共 3 条评论
4
闲人
2019-12-12
老师，有两个疑问求解答： 1.程序计数器和CPU栈寄存器是一回事吗？ 2.线程切换会导致CPU堆栈寄存器来回刷新吗？
作者回复: 1. 不是一回事 2. 会
3
杨鹏程baci
2019-06-28
老师好，我理解一下，您绿的例子里面线程池获取一个线程在方法体里面赋给了一个局部变量，但是从线程池获取线程的过程还是要用到锁吧，只是后面这个线程也不会被重复分配了，所以不需要加锁
3
锦
2019-04-19
递归函数中的递会调用函数，递归的太深可能会引起栈溢出；解决方案： 1、限制递归深度，超过则退出，缺点是不能确定栈的剩余空间； 2、使用hashmap保存重复子问题的值，以减少递归次数；
3
WL
2019-03-26
请教一下老师, 在静态方法中的局部变量是线程安全的吗, 静态方法的执行机制能不能也讲一下, 这里不是很理解.
作者回复: 局部变量线程安全，静态方法没有隐藏的this参数，执行机制和正常方法没区别
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CCC
2019-03-23
参数和局部变量一样都是线程私有的吧，我有点不理解如果引用类型的参数被传入时，多线程同时修改这个引用类型的参数不就直接对这个参数引用的堆内存对象并发修改了嘛？
作者回复: 你说的对，但是局部变量创建的对象，其他线程是访问不到的，因为拿不到对象的引用
共 2 条评论
3
早起的鸟儿
2019-08-25
老师请问如果一个局部变量的引用是指向一个全局容器里面的某个可变对象，那么该局部变量还是线程安全的吗？
作者回复: 局部变量安全，指向的全局变量不安全
2
灰灰灰
2019-03-26
还是不大懂怎么定义共享变量。或者说不懂线程怎么争夺一个共享变量。
2

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