彻底理解ThreadLocal-白红宇

彻底理解ThreadLocal

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发布时间：2019-06-19

本文共 10063 字，大约阅读时间需要 33 分钟。

ThreadLocal是什么

　　早在JDK 1.2的版本中就提供.lang.ThreadLocal，ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。

　　当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

　　从线程的角度看，目标变量就象是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。

　　所以，在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些，因此造成线程局部变量没有在Java开发者中得到很好的普及。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：

void set(Object value)设置当前线程的线程局部变量的值。

public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。

public void remove()将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。

protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

　　值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已经支持泛型，该类的类名已经变为ThreadLocal<T>。API方法也相应进行了调整，新版本的API方法分别是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。

　　ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢？其实实现的思路很简单：在ThreadLocal类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。我们自己就可以提供一个简单的实现版本：

[java]

package com.test;

public class TestNum {

// ①通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值

private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {

public Integer initialValue() {

return 0;

}

};

// ②获取下一个序列值

public int getNextNum() {

seqNum.set(seqNum.get() + 1);

return seqNum.get();

}

public static void main(String[] args) {

TestNum sn = new TestNum();

// ③ 3个线程共享sn，各自产生序列号

TestClient t1 = new TestClient(sn);

TestClient t2 = new TestClient(sn);

TestClient t3 = new TestClient(sn);

t1.start();

t2.start();

t3.start();

}

private static class TestClient extends Thread {

private TestNum sn;

public TestClient(TestNum sn) {

this.sn = sn;

}

public void run() {

for (int i = 0; i < 3; i++) {

// ④每个线程打出3个序列值

System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> sn["

+ sn.getNextNum() + "]");

}

}

}

}

通常我们通过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类，提供初始的变量值，如例子中①处所示。TestClient线程产生一组序列号，在③处，我们生成3个TestClient，它们共享同一个TestNum实例。运行以上代码，在控制台上输出以下的结果：

thread[Thread-0] --> sn[1]

thread[Thread-1] --> sn[1]

thread[Thread-2] --> sn[1]

thread[Thread-1] --> sn[2]

thread[Thread-0] --> sn[2]

thread[Thread-1] --> sn[3]

thread[Thread-2] --> sn[2]

thread[Thread-0] --> sn[3]

thread[Thread-2] --> sn[3]

考察输出的结果信息，我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个TestNum实例，但它们并没有发生相互干扰的情况，而是各自产生独立的序列号，这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。

Thread同步机制的比较

　　ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢？ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

　　在同步机制中，通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写，什么时候需要锁定某个对象，什么时候释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。

　　而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

　　由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象，需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题，在一定程度地简化ThreadLocal的使用，代码清单 9 2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。

　　概括起来说，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

　　使用ThreadLocal解决线程安全问题我们知道在一般情况下，只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非线程安全状态采用ThreadLocal进行处理，让它们也成为线程安全的状态，因为有状态的Bean就可以在多线程中共享了。

　　一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次，在不同的层中编写对应的逻辑，下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下，从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程，如图9‑2所示：

通通透透理解ThreadLocal

　　同一线程贯通三层这样你就可以根据需要，将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放，在同一次请求响应的调用线程中，所有关联的对象引用到的都是同一个变量。

　　下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路：

代码清单3 TestDao：非线程安全

[java]

package com.test;

import java.sql.Connection;

import java.sql.SQLException;

import java.sql.Statement;

public class TestDao {

private Connection conn;// ①一个非线程安全的变量

public void addTopic() throws SQLException {

Statement stat = conn.createStatement();// ②引用非线程安全变量

// …

}

}

由于①处的conn是成员变量，因为addTopic()方法是非线程安全的，必须在使用时创建一个新TopicDao实例（非singleton）。下面使用ThreadLocal对conn这个非线程安全的“状态”进行改造：

代码清单4 TestDao：线程安全

[java]

package com.test;

import java.sql.Connection;

import java.sql.SQLException;

import java.sql.Statement;

public class TestDaoNew {

// ①使用ThreadLocal保存Connection变量

private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();

public static Connection getConnection() {

// ②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection，

// 并将其保存到线程本地变量中。

if (connThreadLocal.get() == null) {

Connection conn = getConnection();

connThreadLocal.set(conn);

return conn;

} else {

return connThreadLocal.get();// ③直接返回线程本地变量

}

}

public void addTopic() throws SQLException {

// ④从ThreadLocal中获取线程对应的Connection

Statement stat = getConnection().createStatement();

}

}

　　不同的线程在使用TopicDao时，先判断connThreadLocal.get()是否是null，如果是null，则说明当前线程还没有对应的Connection对象，这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中；如果不为null，则说明当前的线程已经拥有了Connection对象，直接使用就可以了。这样，就保证了不同的线程使用线程相关的Connection，而不会使用其它线程的Connection。因此，这个TopicDao就可以做到singleton共享了。

　　当然，这个例子本身很粗糙，将Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题，但无法和其它DAO共用同一个Connection，要做到同一事务多DAO共享同一Connection，必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。

ConnectionManager.java

[java]

package com.test;

import java.sql.Connection;

import java.sql.DriverManager;

import java.sql.SQLException;

public class ConnectionManager {

private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {

protected Connection initialValue() {

Connection conn = null;

try {

conn = DriverManager.getConnection(

"jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username",

"password");

} catch (SQLException e) {

e.printStackTrace();

}

return conn;

}

};

public static Connection getConnection() {

return connectionHolder.get();

}

public static void setConnection(Connection conn) {

connectionHolder.set(conn);

}

}

java.lang.ThreadLocal<T>的具体实现

那么到底ThreadLocal类是如何实现这种“为每个线程提供不同的变量拷贝”的呢？先来看一下ThreadLocal的set()方法的源码是如何实现的：

[java]

* Sets the current thread's copy of this thread-local variable

* to the specified value. Most subclasses will have no need to

* override this method, relying solely on the {
#initialValue}

* method to set the values of thread-locals.

* value the value to be stored in the current thread's copy of

* this thread-local.

public void set(T value) {

Thread t = Thread.currentThread();

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)

map.set(this, value);

else

createMap(t, value);

}

在这个方法内部我们看到，首先通过getMap(Thread t)方法获取一个和当前线程相关的ThreadLocalMap，然后将变量的值设置到这个ThreadLocalMap对象中，当然如果获取到的ThreadLocalMap对象为空，就通过createMap方法创建。

线程隔离的秘密，就在于ThreadLocalMap这个类。ThreadLocalMap是ThreadLocal类的一个静态内部类，它实现了键值对的设置和获取（对比Map对象来理解），每个线程中都有一个独立的ThreadLocalMap副本，它所存储的值，只能被当前线程读取和修改。ThreadLocal类通过操作每一个线程特有的ThreadLocalMap副本，从而实现了变量访问在不同线程中的隔离。因为每个线程的变量都是自己特有的，完全不会有并发错误。还有一点就是，ThreadLocalMap存储的键值对中的键是this对象指向的ThreadLocal对象，而值就是你所设置的对象了。

为了加深理解，我们接着看上面代码中出现的getMap和createMap方法的实现：

[java]

* Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in

* InheritableThreadLocal.

* t the current thread

* the map

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {

return t.threadLocals;

}

* Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in

* InheritableThreadLocal.

* @param t the current thread

* @param firstValue value for the initial entry of the map

* @param map the map to store.

void createMap(Thread t, T firstValue) {

t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);

}

接下来再看一下ThreadLocal类中的get()方法:

[java]

* Returns the value in the current thread's copy of this

* thread-local variable. If the variable has no value for the

* current thread, it is first initialized to the value returned

* by an invocation of the {@link #initialValue} method.

* @return the current thread's value of this thread-local

public T get() {

Thread t = Thread.currentThread();

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null) {

ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);

if (e != null)

return (T)e.value;

}

return setInitialValue();

}

再来看setInitialValue()方法：

[java]

* Variant of set() to establish initialValue. Used instead

* of set() in case user has overridden the set() method.

* @return the initial value

private T setInitialValue() {

T value = initialValue();

Thread t = Thread.currentThread();

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)

map.set(this, value);

else

createMap(t, value);

return value;

}

　　获取和当前线程绑定的值时，ThreadLocalMap对象是以this指向的ThreadLocal对象为键进行查找的，这当然和前面set()方法的代码是相呼应的。

　　进一步地，我们可以创建不同的ThreadLocal实例来实现多个变量在不同线程间的访问隔离，为什么可以这么做？因为不同的ThreadLocal对象作为不同键，当然也可以在线程的ThreadLocalMap对象中设置不同的值了。通过ThreadLocal对象，在多线程中共享一个值和多个值的区别，就像你在一个HashMap对象中存储一个键值对和多个键值对一样，仅此而已。