淺談ThreadLocal原理

前言：

通過一宿的面壁思過，下文寫的對ThreadLocal的源碼分析，過於枯燥乏味，如今簡單的總結一下ThreadLocal，提升一下作人的level。

ThreadLocal的做用就是：線程安全。

ThreadLocal的本質就是一個內部的靜態的map，key是當前線程的句柄，value是須要保持的值。

因爲是內部靜態map，不提供遍歷和查詢的接口，每一個線程只能獲取本身線程的value。

這樣，就線程安全了，又提供了數據共享的能力，perfect。

 

1、對ThreadLocal的理解

一、ThreadLocal是線程本地存儲，在每一個線程中都建立了一個ThreadLocalMap對象，每一個線程能夠訪問本身內部ThreadLocalMap對象內的value。

二、代碼實例

package OSChina.Thread;

public 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連接管理類，這段代碼在單線程中使用沒有任何問題，可是若是在多線程中使用呢？很顯然，在多線程中使用會存在線程安全問題：

① 這裏面的兩個方法都沒有進行同步，極可能在openConnection方法中會屢次建立connect

② 因爲connect是共享變量，那麼在調用connect的地方須要使用同步來保障線程安全，由於極可能一個線程在使用connect進行數據庫操做，而另一個線程用closeConnection關閉連接。

因此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，而且在調用connect的地方須要進行同步處理。

這樣將會大大影響程序執行效率，由於一個線程在使用connect進行數據庫操做時，其它線程只能等待。

那麼你們來仔細分析一下這個問題，這地方到底需不須要將connect變量進行共享？事實上，是不須要的。假如每一個線程中都有一個connect變量，各個線程之間對connect變量的訪問其實是沒有依賴關係的，即一個線程不須要關心其餘線程是否對這個connect進行了修改的。

到這裏，可能會有朋友想到，既然不須要在線程之間共享這個變量，能夠直接這樣處理，在每一個須要使用數據庫鏈接的方法中具體使用時才建立數據庫連接，而後在方法調用完畢再釋放這個鏈接。好比下面這樣：

package OSChina.Thread;

public 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進行操做
        connectionManager.closeConnection();
    }
}

這樣處理確實沒什麼問題，因爲每次都在方法內建立新的鏈接，那麼線程之間天然不存在線程安全問題。可是這樣會有一個致命的影響：因爲方法中須要頻繁的開啓和關閉數據庫連接，這樣不只嚴重影響程序執行效率，還可能致使服務器壓力巨大。

那麼這種狀況下使用ThreadLocal就再合適不過了，由於ThreadLocal在每一個線程中對該變量會建立一個副本，即每一個線程內部都會有一個該變量，並且線程內部任何地方均可以使用，線程之間互不影響，這樣一來就不存在線程安全問題，也不會影響程序執行性能。

可是要注意，雖然ThreadLocal可以解決上面說的問題，可是因爲每一個線程都建立副本，因此要考慮它對資源的消耗，好比內存的佔用會比不使用ThreadLocal要大。

2、深刻解析ThreadLocal類

在上面談到了對ThreadLocal的一些理解，那咱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：

public T get() { }  
public void set(T value) { }  
public void remove() { }  
protected T initialValue() { }

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，通常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。

首先咱們先來看一下ThreadLocal類時如何爲每一個線程建立一個變量的副本的。

先看一下get方法的源碼：

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 setInitiaValue();
    }

第一句是取得當前線程，而後經過getMap(t)方法獲取一個map，map的類型爲ThreadLocalMap。而後接着下面獲取到<key,value>鍵值對，這裏獲取鍵值對傳進去的是this，而不是當前線程t。

若是獲取成功，則返回value值。

若是map爲空，則調用setInitialValue方法返回value。

ThreadLocalMap getMap(Thread t){
    return t.threadLocals;
}

可能你們沒有想到的是，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。

那麼咱們繼續取Thread類中取看一下成員變量threadLocals是什麼：

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

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

package OSChina.Thread;

import java.lang.ref.WeakReference;

public class ThreadLocalMap {
    static  class Entry extends WeakReference<ThreadLocal>{
        Object value;
        Entry(ThreadLocal k,Object v){
            super(k);
            value = v;
        }
    }
}

能夠看到ThreadLocalMap的Entry繼承了WeakReference，而且使用ThreadLocal做爲鍵值。

而後再繼續看setInitialValue方法的具體實現：

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;
    }

很容易瞭解，就是若是map不爲空，就設置鍵值對，爲空，再建立Map，看一下createMap的實現：

void createMap(Thread t,T firstValue){
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this,firstValue);
}

 至此，可能大部分朋友已經明白了ThreadLocal是如何爲每一個線程建立變量的副本的：

首先，在每一個線程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，鍵值爲當前ThreadLocal變量，value爲變量副本（即T類型的變量）。

初始時，在Thread裏面，threadLocals爲空，當經過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，而且以當前ThreadLocal變量爲鍵值，以ThreadLocal要保存的副本變量爲value，存到threadLocals。

        而後在當前線程裏面，若是要使用副本變量，就能夠經過get方法在threadLocals裏面查找。

        下面經過一個例子來證實經過ThreadLocal能達到在每一個線程中建立變量副本的效果：

package OSChina.Thread;

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());
    }
}

從這段代碼的輸出結果能夠看出，在main線程中和thread1線程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不同。最後一次在main線程再次打印副本值是爲了證實在main線程中和thread1線程中的副本值確實是不一樣的。

總結一下：

① 實際的經過ThreadLocal建立的副本是存儲在每一個線程本身的threadLocals中的；

② 爲什麼threadLocals的類型ThreadLocalMap的鍵值爲ThreadLocal對象，由於每一個線程中可有多個threadLocal變量，就像上面代碼中的longLocal和stringLocal；

③ 在進行get以前，必須先set，不然會報空指針異常；

若是想在get以前不須要調用set就能正常訪問的話，必須重寫initialValue()方法。

3、ThreadLocal的應用場景

數據庫鏈接

package OSChina.Thread;

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;

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

session管理：

package OSChina.Thread;

import javax.websocket.Session;

public class ThreadDao {
    private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();
    public static Session getSession() throws Exception{
        Session session = (Session)threadSession.get();
        if(session==null){
            session = getSessionFactory().openSession();
            threadSession.set(session);
        }
        return session;
    }
}

 

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