ThreadLocal用法和實現原理

本文轉載自查看原文 2016-08-31 18:11 6125

如果你定義了一個單實例的java bean，它有若干屬性，但是有一個屬性不是線程安全的，比如說HashMap。並且碰巧你並不需要在不同的線程中共享這個屬性，也就是說這個屬性不存在跨線程的意義。那么你不要sychronize這么復雜的東西，ThreadLocal將是你不錯的選擇。

舉例來說：

import java.util.HashMap;

public class TreadLocalTest {

    static ThreadLocal<HashMap> map0 = new ThreadLocal<HashMap>(){ 
        @Override 
        protected HashMap initialValue() { 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"initialValue"); 
            return new HashMap(); 
        } 
    }; 
    public void run(){ 
        Thread[] runs = new Thread[3]; 
        for(int i=0;i<runs.length;i++){ 
            runs[i]=new Thread(new T1(i)); 
        } 
        for(int i=0;i<runs.length;i++){ 
            runs[i].start(); 
        } 
    } 
    public static class T1 implements Runnable{ 
        int id; 
        public T1(int id0){ 
            id = id0; 
        } 
        public void run() { 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":start"); 
            HashMap map = map0.get(); 
            for(int i=0;i<10;i++){ 
                map.put(i, i+id*100); 
                try{ 
                    Thread.sleep(100); 
                }catch(Exception ex){ 
                } 
            } 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+':'+map); 
        } 
    } 
    /** 
     * Main 
     * @param args 
     */ 
    public static void main(String[] args){ 
        TreadLocalTest test = new TreadLocalTest(); 
        test.run(); 
    }

}

輸出解釋；

Thread-1:start
Thread-2:start
Thread-0:start
Thread-2initialValue
Thread-1initialValue
Thread-0initialValue
Thread-1:{0=100, 1=101, 2=102, 3=103, 4=104, 5=105, 6=106, 7=107, 8=108, 9=109}
Thread-2:{0=200, 1=201, 2=202, 3=203, 4=204, 5=205, 6=206, 7=207, 8=208, 9=209}
Thread-0:{0=0, 1=1, 2=2, 3=3, 4=4, 5=5, 6=6, 7=7, 8=8, 9=9}

可以看到map0 雖然是個靜態變量，但是initialValue被調用了三次，通過debug發現，initialValue是從map0.get處發起的。而且每個線程都有自己的map，雖然他們同時執行。

進入Theadlocal代碼，可以發現如下的片段；

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(); 
    }

這說明ThreadLocal確實只有一個變量，但是它內部包含一個map，針對每個thread保留一個entry，如果對應的thread不存在則會調用initialValue。

一.對ThreadLocal的理解

　　ThreadLocal，很多地方叫做線程本地變量，也有些地方叫做線程本地存儲，其實意思差不多。可能很多朋友都知道ThreadLocal為變量在每個線程中都創建了一個副本，那么每個線程可以訪問自己內部的副本變量。

　　這句話從字面上看起來很容易理解，但是真正理解並不是那么容易。

　　我們還是先來看一個例子：

class ConnectionManager {
     
    private static Connection connect = null;
     
    public static Connection openConnection() {
        if(connect == null){
            connect = DriverManager.getConnection();
        }
        return connect;
    }
     
    public static void closeConnection() {
        if(connect!=null)
            connect.close();
    }
}

　　假設有這樣一個數據庫鏈接管理類，這段代碼在單線程中使用是沒有任何問題的，但是如果在多線程中使用呢？很顯然，在多線程中使用會存在線程安全問題：第一，這里面的2個方法都沒有進行同步，很可能在openConnection方法中會多次創建connect；第二，由於connect是共享變量，那么必然在調用connect的地方需要使用到同步來保障線程安全，因為很可能一個線程在使用connect進行數據庫操作，而另外一個線程調用closeConnection關閉鏈接。

　　所以出於線程安全的考慮，必須將這段代碼的兩個方法進行同步處理，並且在調用connect的地方需要進行同步處理。

　　這樣將會大大影響程序執行效率，因為一個線程在使用connect進行數據庫操作的時候，其他線程只有等待。

　　那么大家來仔細分析一下這個問題，這地方到底需不需要將connect變量進行共享？事實上，是不需要的。假如每個線程中都有一個connect變量，各個線程之間對connect變量的訪問實際上是沒有依賴關系的，即一個線程不需要關心其他線程是否對這個connect進行了修改的。

　　到這里，可能會有朋友想到，既然不需要在線程之間共享這個變量，可以直接這樣處理，在每個需要使用數據庫連接的方法中具體使用時才創建數據庫鏈接，然后在方法調用完畢再釋放這個連接。比如下面這樣：

　　這樣處理確實也沒有任何問題，由於每次都是在方法內部創建的連接，那么線程之間自然不存在線程安全問題。但是這樣會有一個致命的影響：導致服務器壓力非常大，並且嚴重影響程序執行性能。由於在方法中需要頻繁地開啟和關閉數據庫連接，這樣不盡嚴重影響程序執行效率，還可能導致服務器壓力巨大。

　　那么這種情況下使用ThreadLocal是再適合不過的了，因為ThreadLocal在每個線程中對該變量會創建一個副本，即每個線程內部都會有一個該變量，且在線程內部任何地方都可以使用，線程之間互不影響，這樣一來就不存在線程安全問題，也不會嚴重影響程序執行性能。

　　但是要注意，雖然ThreadLocal能夠解決上面說的問題，但是由於在每個線程中都創建了副本，所以要考慮它對資源的消耗，比如內存的占用會比不使用ThreadLocal要大。

二.深入解析ThreadLocal類

　　在上面談到了對ThreadLocal的一些理解，那我們下面來看一下具體ThreadLocal是如何實現的。

　　先了解一下ThreadLocal類提供的幾個方法：

class ConnectionManager {
     
    private  Connection connect = null;
     
    public Connection openConnection() {
        if(connect == null){
            connect = DriverManager.getConnection();
        }
        return connect;
    }
     
    public void closeConnection() {
        if(connect!=null)
            connect.close();
    }
}
 
 
class Dao{
    public void insert() {
        ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();
        Connection connection = connectionManager.openConnection();
         
        //使用connection進行操作
         
        connectionManager.closeConnection();
    }
}

　　get()方法是用來獲取ThreadLocal在當前線程中保存的變量副本，set()用來設置當前線程中變量的副本，remove()用來移除當前線程中變量的副本，initialValue()是一個protected方法，一般是用來在使用時進行重寫的，它是一個延遲加載方法，下面會詳細說明。

　　首先我們來看一下ThreadLocal類是如何為每個線程創建一個變量的副本的。

　　先看下get方法的實現：

　　第一句是取得當前線程，然后通過getMap(t)方法獲取到一個map，map的類型為ThreadLocalMap。然后接着下面獲取到<key,value>鍵值對，注意這里獲取鍵值對傳進去的是 this，而不是當前線程t。

　　如果獲取成功，則返回value值。

　　如果map為空，則調用setInitialValue方法返回value。

　　我們上面的每一句來仔細分析：

　　首先看一下getMap方法中做了什么：

　　可能大家沒有想到的是，在getMap中，是調用當期線程t，返回當前線程t中的一個成員變量threadLocals。

　　那么我們繼續取Thread類中取看一下成員變量threadLocals是什么：

　　實際上就是一個ThreadLocalMap，這個類型是ThreadLocal類的一個內部類，我們繼續取看ThreadLocalMap的實現：

　　可以看到ThreadLocalMap的Entry繼承了WeakReference，並且使用ThreadLocal作為鍵值。

　　然后再繼續看setInitialValue方法的具體實現：

　　很容易了解，就是如果map不為空，就設置鍵值對，為空，再創建Map，看一下createMap的實現：

　　至此，可能大部分朋友已經明白了ThreadLocal是如何為每個線程創建變量的副本的：

　　首先，在每個線程Thread內部有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap類型的成員變量threadLocals，這個threadLocals就是用來存儲實際的變量副本的，鍵值為當前ThreadLocal變量，value為變量副本（即T類型的變量）。

　　初始時，在Thread里面，threadLocals為空，當通過ThreadLocal變量調用get()方法或者set()方法，就會對Thread類中的threadLocals進行初始化，並且以當前ThreadLocal變量為鍵值，以ThreadLocal要保存的副本變量為value，存到threadLocals。

　　然后在當前線程里面，如果要使用副本變量，就可以通過get方法在threadLocals里面查找。

　　下面通過一個例子來證明通過ThreadLocal能達到在每個線程中創建變量副本的效果：

public class Test {
    ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();
    ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();
 
     
    public void set() {
        longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
        stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
    }
     
    public long getLong() {
        return longLocal.get();
    }
     
    public String getString() {
        return stringLocal.get();
    }
     
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Test test = new Test();
         
         
        test.set();
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
     
         
        Thread thread1 = new Thread(){
            public void run() {
                test.set();
                System.out.println(test.getLong());
                System.out.println(test.getString());
            };
        };
        thread1.start();
        thread1.join();
         
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
    }
}

　　這段代碼的輸出結果為：

　　從這段代碼的輸出結果可以看出，在main線程中和thread1線程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一樣。最后一次在main線程再次打印副本值是為了證明在main線程中和thread1線程中的副本值確實是不同的。

　　總結一下：

　　1）實際的通過ThreadLocal創建的副本是存儲在每個線程自己的threadLocals中的；

　　2）為何threadLocals的類型ThreadLocalMap的鍵值為ThreadLocal對象，因為每個線程中可有多個threadLocal變量，就像上面代碼中的longLocal和stringLocal；

　　3）在進行get之前，必須先set，否則會報空指針異常；

　　如果想在get之前不需要調用set就能正常訪問的話，必須重寫initialValue()方法。

　　　因為在上面的代碼分析過程中，我們發現如果沒有先set的話，即在map中查找不到對應的存儲，則會通過調用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一個語句是T value = initialValue()，而默認情況下，initialValue方法返回的是null。

　　看下面這個例子：

public class Test {
    ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();
    ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();
 
    public void set() {
        longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
        stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
    }
     
    public long getLong() {
        return longLocal.get();
    }
     
    public String getString() {
        return stringLocal.get();
    }
     
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Test test = new Test();
         
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
 
        Thread thread1 = new Thread(){
            public void run() {
                test.set();
                System.out.println(test.getLong());
                System.out.println(test.getString());
            };
        };
        thread1.start();
        thread1.join();
         
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
    }
}

　　在main線程中，沒有先set，直接get的話，運行時會報空指針異常。

　　但是如果改成下面這段代碼，即重寫了initialValue方法：

public class Test {
    ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>(){
        protected Long initialValue() {
            return Thread.currentThread().getId();
        };
    };
    ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>(){;
        protected String initialValue() {
            return Thread.currentThread().getName();
        };
    };
 
     
    public void set() {
        longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
        stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
    }
     
    public long getLong() {
        return longLocal.get();
    }
     
    public String getString() {
        return stringLocal.get();
    }
     
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Test test = new Test();
 
        test.set();
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
     
         
        Thread thread1 = new Thread(){
            public void run() {
                test.set();
                System.out.println(test.getLong());
                System.out.println(test.getString());
            };
        };
        thread1.start();
        thread1.join();
         
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
    }
}

　　就可以直接不用先set而直接調用get了。

三.ThreadLocal的應用場景

　　最常見的ThreadLocal使用場景為用來解決數據庫連接、Session管理等。

　　如：

private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder
= new ThreadLocal<Connection>() {
public Connection initialValue() {
    return DriverManager.getConnection(DB_URL);
}
};
 
public static Connection getConnection() {
return connectionHolder.get();
}

　　下面這段代碼摘自：

　　http://www.iteye.com/topic/103804

private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();
 
public static Session getSession() throws InfrastructureException {
    Session s = (Session) threadSession.get();
    try {
        if (s == null) {
            s = getSessionFactory().openSession();
            threadSession.set(s);
        }
    } catch (HibernateException ex) {
        throw new InfrastructureException(ex);
    }
    return s;
}

　　參考資料：

　　《深入理解Java虛擬機》

　　《Java編程思想》

　　http://ifeve.com/thread-management-10/

　　http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-threads/index3.html

　　http://www.iteye.com/topic/103804

　　http://www.iteye.com/topic/777716

　　http://www.iteye.com/topic/757478

　　http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/15732053

　　http://ispring.iteye.com/blog/162982

　　http://blog.csdn.net/imzoer/article/details/8262101

　　http://www.blogjava.net/wumi9527/archive/2010/09/10/331654.html

　　http://bbs.csdn.net/topics/380049261

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