ThreadLocal實現線程安全

時間 2019-11-24

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Spring經過各類模板類下降了開發者使用各類數據持久技術的難度。這些模板類都是線程安全的，也就是說，多個DAO能夠複用同一個模板實例而不會發生衝突。咱們使用模板類訪問底層數據，根據持久化技術的不一樣，模板類須要綁定數據鏈接或會話的資源。但這些資源自己是非線程安全的，也就是說它們不能在同一時刻被多個線程共享。雖然模板類經過資源池獲取數據鏈接或會話，但資源池自己解決的是數據鏈接或會話的緩存問題，並不是數據鏈接或會話的線程安全問題。
按照傳統經驗，若是某個對象是非線程安全的，在多線程環境下，對對象的訪問必須採用synchronized進行線程同步。但模板類並未採用線程同步機制，由於線程同步會下降併發性，影響系統性能。此外，經過代碼同步解決線程安全的挑戰性很大，可能會加強好幾倍的實現難度。那麼模板類究竟仰仗何種魔法神功，能夠在無須線程同步的狀況下就化解線程安全的難題呢？答案就是ThreadLocal！
ThreadLocal在Spring中發揮着重要的做用，在管理request做用域的Bean、事務管理、任務調度、AOP等模塊都出現了它們的身影，起着舉足輕重的做用。java

ThreadLocal是什麼

早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal爲解決多線程程序的併發問題提供了一種新的思路。使用這個工具類能夠很簡潔地編寫出優美的多線程程序。
ThreadLocal，顧名思義，它不是一個線程，而是線程的一個本地化對象。當工做於多線程中的對象使用ThreadLocal維護變量時，ThreadLocal爲每一個使用該變量的線程分配一個獨立的變量副本。因此每個線程均可以獨立地改變本身的副本，而不會影響其餘線程所對應的副本。從線程的角度看，這個變量就像是線程的本地變量，這也是類名中「Local」所要表達的意思。

線程局部變量並非Java的新發明，不少語言（如IBM XL、FORTRAN）在語法層面就提供線程局部變量。在Java中沒有提供語言級支持，而以一種變通的方法，經過ThreadLocal的類提供支持。因此，在Java中編寫線程局部變量的代碼相對來講要笨拙一些，這也是爲何線程局部變量沒有在Java開發者中獲得很好普及的緣由。緩存

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal類接口很簡單，只有4個方法，咱們先來了解一下。安全

void set(Object value) 設置當前線程的線程局部變量的值；
public Object get() 該方法返回當前線程所對應的線程局部變量；
public void remove() 將當前線程局部變量的值刪除，目的是爲了減小內存的佔用，該方法是JDK 5.0新增的方法。須要指出的是，當線程結束後，對應該線程的局部變量將自動被垃圾回收，因此顯式調用該方法清除線程的局部變量並非必須的操做，但它能夠加快內存回收的速度；
protected Object initialValue() 返回該線程局部變量的初始值，該方法是一個protected的方法，顯然是爲了讓子類覆蓋而設計的。這個方法是一個延遲調用方法，在線程第1次調用get()或set(Object)時才執行，而且僅執行1次。ThreadLocal中的默認實現直接返回一個null。

值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已經支持泛型，該類的類名已經變爲ThreadLocal<T>。API方法也相應進行了調整，新版本的API方法分別是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。

ThreadLocal是如何作到爲每個線程維護變量的副本的呢？其實實現的思路很簡單：在ThreadLocal類中有一個Map，用於存儲每個線程的變量副本，Map中元素的鍵爲線程對象，而值對應線程的變量副本。多線程

一個TheadLocal實例
咱們經過一個具體的實例瞭解一下ThreadLocal的具體使用方法。
併發

package cn.chinotan.service.thredLocal;

import com.google.common.util.concurrent.ThreadFactoryBuilder;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * @program: test
 * @description: thredLocalDemo
 * @author: xingcheng
 * @create: 2018-09-09 17:13
 **/
public class ThreadLocalDemo {

    static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){
        // 進行初始化
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };

    static Integer countRef = 0;

    private Integer getNextCount() {
        count.set(count.get() + 1);
        return count.get();
    }

    private Integer getNextCountRef() {
        countRef = countRef + 1;
        return countRef;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
                .setNameFormat("demo-pool-%d").build();
        ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(10, 10,
                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(), namedThreadFactory);

        ThreadLocalDemo threadLocalDemo = new ThreadLocalDemo();
        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
        
        // 參照
        ThreadLocalDemo threadLocalDemoRef = new ThreadLocalDemo();
        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));
        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));
        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));

        executorService.shutdown();
    }
    
    static class CountRun implements Runnable{

        private ThreadLocalDemo demo;

        public CountRun(ThreadLocalDemo dem) {
            demo = dem;
        }

        @Override
        public void run() {
            for(int i = 0; i < 3; i++){
                System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName()+ "] count [" + demo.getNextCount() + "]");
            }
        }
    }

    static class CountRunRef extends Thread{

        private ThreadLocalDemo demo;

        public CountRunRef(ThreadLocalDemo dem) {
            demo = dem;
        }

        @Override
        public void run() {
            for(int i = 0; i < 3; i++){
                System.out.println("threadRef[" + Thread.currentThread().getName()+ "] count [" + demo.getNextCountRef() + "]");
            }
        }
    }
}

輸出：ide

考查輸出的結果信息，咱們發現每一個線程所產生的序號雖然都共享同一個Sequence Number實例，但它們並無發生相互干擾的狀況，而是各自產生獨立的序列號，這是由於咱們經過ThreadLocal爲每個線程提供了單獨的副本。

與Thread同步機制的比較

ThreadLocal和線程同步機制相比有什麼優點呢？ThreadLocal和線程同步機制都是爲了解決多線程中相同變量的訪問衝突問題。

在同步機制中，經過對象的鎖機制保證同一時間只有一個線程訪問變量。這時該變量是多個線程共享的，使用同步機制要求程序縝密地分析何時對變量進行讀寫，何時須要鎖定某個對象，何時釋放對象鎖等繁雜的問題，程序設計和編寫難度相對較大。

而ThreadLocal則從另外一個角度來解決多線程的併發訪問。ThreadLocal爲每個線程提供一個獨立的變量副本，從而隔離了多個線程對訪問數據的衝突。由於每個線程都擁有本身的變量副本，從而也就沒有必要對該變量進行同步了。ThreadLocal提供了線程安全的對象封裝，在編寫多線程代碼時，能夠把不安全的變量封裝進ThreadLocal。

因爲ThreadLocal中能夠持有任何類型的對象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object對象，須要強制類型轉換。但JDK 5.0經過泛型很好的解決了這個問題，在必定程度上簡化ThreadLocal的使用，代碼清單9-2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。

歸納起來講，對於多線程資源共享的問題，同步機制採用了「以時間換空間」的方式：訪問串行化，對象共享化。而ThreadLocal採用了「以空間換時間」的方式：訪問並行化，對象獨享化。前者僅提供一份變量，讓不一樣的線程排隊訪問，然後者爲每個線程都提供了一份變量，所以能夠同時訪問而互不影響。

Spring使用ThreadLocal解決線程安全問題

咱們知道在通常狀況下，只有無狀態的Bean才能夠在多線程環境下共享，在Spring中，絕大部分Bean均可以聲明爲singleton做用域。就是由於Spring對一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非線程安全的「狀態性對象」採用ThreadLocal進行封裝，讓它們也成爲線程安全的「狀態性對象」，所以有狀態的Bean就可以以singleton的方式在多線程中正常工做了。工具

通常的Web應用劃分爲展示層、服務層和持久層三個層次，在不一樣的層中編寫對應的邏輯，下層經過接口向上層開放功能調用。在通常狀況下，從接收請求到返回響應所通過的全部程序調用都同屬於一個線程，這樣用戶就能夠根據須要，將一些非線程安全的變量以ThreadLocal存放，在同一次請求響應的調用線程中，全部對象所訪問的同一ThreadLocal變量都是當前線程所綁定的。性能