多線程——完全理解ThreadLocal

時間 2019-11-10

標籤多線程完全理解 threadlocal 欄目 Java 简体版

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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。java

　　當使用ThreadLocal維護變量時，ThreadLocal爲每一個使用該變量的線程提供獨立的變量副本，因此每個線程均可以獨立地改變本身的副本，而不會影響其它線程所對應的副本。mysql

　　從線程的角度看，目標變量就象是線程的本地變量，這也是類名中「Local」所要表達的意思。sql

　　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，所以形成線程局部變量沒有在Java開發者中獲得很好的普及。安全

ThreadLocal的接口方法多線程

ThreadLocal類接口很簡單，只有4個方法，咱們先來了解一下：併發

void set(Object value)設置當前線程的線程局部變量的值。app

public Object get()該方法返回當前線程所對應的線程局部變量。ide

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。工具

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中的缺省實現直接返回一個null。this

　　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。咱們本身就能夠提供一個簡單的實現版本：

[java] view plain copy print ?

package com.test;
public class TestNum {
// ①經過匿名內部類覆蓋ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {
public Integer initialValue() {
return 0;
}
};
// ②獲取下一個序列值
public int getNextNum() {
seqNum.set(seqNum.get() + 1);
return seqNum.get();
}
public static void main(String[] args) {
TestNum sn = new TestNum();
// ③ 3個線程共享sn，各自產生序列號
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每一個線程打出3個序列值
System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> sn["
+ sn.getNextNum() + "]");
}
}
}
}

一般咱們經過匿名內部類的方式定義ThreadLocal的子類，提供初始的變量值，如例子中①處所示。TestClient線程產生一組序列號，在③處，咱們生成3個TestClient，它們共享同一個TestNum實例。運行以上代碼，在控制檯上輸出如下的結果：

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TestNum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。

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慎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會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數據的訪問衝突。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提供了線程安全的共享對象，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，在必定程度地簡化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，而ThreadLocal採用了「以空間換時間」的方式。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）中非線程安全狀態採用ThreadLocal進行處理，讓它們也成爲線程安全的狀態，由於有狀態的Bean就能夠在多線程中共享了。

　　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，如圖9‑2所示：

　　同一線程貫通三層這樣你就能夠根據須要，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，全部關聯的對象引用到的都是同一個變量。

　　下面的實例可以體現Spring對有狀態Bean的改造思路：

代碼清單3 TestDao：非線程安全

[java] view plain copy print ?

package com.test;
import java.sql.Connection;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Statement;
public class TestDao {
private Connection conn;// ①一個非線程安全的變量
public void addTopic() throws SQLException {
Statement stat = conn.createStatement();// ②引用非線程安全變量
// …
}
}

因爲①處的conn是成員變量，由於addTopic()方法是非線程安全的，必須在使用時建立一個新TopicDao實例（非singleton）。下面使用ThreadLocal對conn這個非線程安全的「狀態」進行改造：

代碼清單4 TestDao：線程安全

[java] view plain copy print ?

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變量
private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();
public static Connection getConnection() {
// ②若是connThreadLocal沒有本線程對應的Connection建立一個新的Connection，
// 並將其保存到線程本地變量中。
if (connThreadLocal.get() == null) {
Connection conn = getConnection();
connThreadLocal.set(conn);
return conn;
} else {
return connThreadLocal.get();// ③直接返回線程本地變量
}
}
public void addTopic() throws SQLException {
// ④從ThreadLocal中獲取線程對應的Connection
Statement stat = getConnection().createStatement();
}
}

　　不一樣的線程在使用TopicDao時，先判斷connThreadLocal.get()是不是null，若是是null，則說明當前線程尚未對應的Connection對象，這時建立一個Connection對象並添加到本地線程變量中；若是不爲null，則說明當前的線程已經擁有了Connection對象，直接使用就能夠了。這樣，就保證了不一樣的線程使用線程相關的Connection，而不會使用其它線程的Connection。所以，這個TopicDao就能夠作到singleton共享了。

　　固然，這個例子自己很粗糙，將Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能作到本DAO的多個方法共享Connection時不發生線程安全問題，但沒法和其它DAO共用同一個Connection，要作到同一事務多DAO共享同一Connection，必須在一個共同的外部類使用ThreadLocal保存Connection。

ConnectionManager.java

[java] view plain copy print ?

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>() {
@Override
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>的具體實現

那麼到底ThreadLocal類是如何實現這種「爲每一個線程提供不一樣的變量拷貝」的呢？先來看一下ThreadLocal的set()方法的源碼是如何實現的：

[java] view plain copy print ?

/**
* 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 {@link #initialValue}
* method to set the values of thread-locals.
*
* @param 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);
}

在這個方法內部咱們看到，首先經過getMap(Thread t)方法獲取一個和當前線程相關的ThreadLocalMap，而後將變量的值設置到這個ThreadLocalMap對象中，固然若是獲取到的ThreadLocalMap對象爲空，就經過createMap方法建立。

線程隔離的祕密，就在於ThreadLocalMap這個類。ThreadLocalMap是ThreadLocal類的一個靜態內部類，它實現了鍵值對的設置和獲取（對比Map對象來理解），每一個線程中都有一個獨立的ThreadLocalMap副本，它所存儲的值，只能被當前線程讀取和修改。ThreadLocal類經過操做每個線程特有的ThreadLocalMap副本，從而實現了變量訪問在不一樣線程中的隔離。由於每一個線程的變量都是本身特有的，徹底不會有併發錯誤。還有一點就是，ThreadLocalMap存儲的鍵值對中的鍵是this對象指向的ThreadLocal對象，而值就是你所設置的對象了。

爲了加深理解，咱們接着看上面代碼中出現的getMap和createMap方法的實現：

[java] view plain copy print ?

/**
* Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
* InheritableThreadLocal.
*
* @param t the current thread
* @return 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);
}

接下來再看一下ThreadLocal類中的get()方法:

[java] view plain copy print ?

/**
* 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();
}

再來看setInitialValue()方法：

[java] view plain copy print ?

/**
* 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;
}

　　獲取和當前線程綁定的值時，ThreadLocalMap對象是以this指向的ThreadLocal對象爲鍵進行查找的，這固然和前面set()方法的代碼是相呼應的。

　　進一步地，咱們能夠建立不一樣的ThreadLocal實例來實現多個變量在不一樣線程間的訪問隔離，爲何能夠這麼作？由於不一樣的ThreadLocal對象做爲不一樣鍵，固然也能夠在線程的ThreadLocalMap對象中設置不一樣的值了。經過ThreadLocal對象，在多線程中共享一個值和多個值的區別，就像你在一個HashMap對象中存儲一個鍵值對和多個鍵值對同樣，僅此而已。

小結

　　ThreadLocal是解決線程安全問題一個很好的思路，它經過爲每一個線程提供一個獨立的變量副本解決了變量併發訪問的衝突問題。在不少狀況下，ThreadLocal比直接使用synchronized同步機制解決線程安全問題更簡單，更方便，且結果程序擁有更高的併發性。

ConnectionManager.java

[java] view plain copy print ?

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>() {
@Override
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);
}
}

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