《提高能力，漲薪可待》-Java多線程與併發之ThreadLocal
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往期文章：面試
1. ThreadLocal是什麼？使用場景
ThreadLocal簡介
ThreadLocal是線程本地變量，能夠爲多線程的併發問題提供一種解決方式，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。spring
ThreadLocal使用場景
多個線程去獲取一個共享變量時，要求獲取的是這個變量的初始值的副本。每一個線程存儲這個變量的副本，對這個變量副本的改變不去影響變量自己。適用於多個線程依賴不一樣變量值完成操做的場景。好比：數組
- 多數據源的切換
- spring聲明式事務
2. ThreadLocal的使用案例
ThreadLocal類接口：安全
- void set(T value)：設置當前線程的線程局部變量的值
- T get()：獲取當前線程所對應的線程局部變量
- void remove()：刪除當前線程局部變量的值，目的是爲了減小內存的佔用
- T initialValue()：該線程局部變量的初始值(默認值爲null)，該方法是一個protected的懶加載方法，線程第1次調用get()或set(T value)時才執行在，並且也是爲了讓子類覆蓋而設計的。
public class ThreadLocalDemo {
private static ThreadLocal<Index> index = new ThreadLocal(){
@Override
protected Object initialValue() {
return new Index();
}
};
private static class Index{
private int num;
public void incr(){
num++;
}
}
public static void main(String[] args) {
for(int i=0; i<5; i++){
new Thread(() ->{
Index local = index.get();
local.incr();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + index.get().num);
}, "thread_" + i).start();
}
}
}
複製代碼
輸出結果：數據結構
thread_1 1 thread_0 1 thread_3 1 thread_4 1 thread_2 1多線程
能夠看到每一個線程的獲取的初始值都是0，而且對num++的操做也互不影響併發
3.ThreadLocal如何實現的
3.1 ThreadLocal的數據結構
ThreadLocal內部維護的是一個相似Map的ThreadLocalMap數據結構，而每一個Thread類，都有一個ThreadLocalMap成員變量。ThreadLocalMap將線程本地變量（ThreadLocal）做爲key，線程變量的副本做爲value，如圖所示：ide
須要注意的是ThreadLocal中的Entry的key和value的關係有系統進行維護，若維護不當則可能致使多線程狀態下的不安全（通常不會，至少須要注意）。源碼分析
3.2 get()源碼分析
public T get() {
//獲取當前線程
Thread t = Thread.currentThread();
//獲取當前線程的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
//若是ThreadLocalMap已經被建立了，那麼經過當前的threadLocal對象做爲key，獲取value
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//若是ThreadLocalMap尚未被建立或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素
return setInitialValue();
}
複製代碼
3.2.1 ThreadLocalMap沒初始化
ThreadLocalMap沒初始化，ThreadLocalMap爲null時，會調用setInitialValue()方法:
private T setInitialValue() {
//initialValue方法通常會被重寫，不重寫的話，直接返回null
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
//獲取當前線程的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
//ThreadLocalMap已經被建立，那麼直接設置初始值（即保存變量副本），初始值來自initialValue方法
map.set(this, value);
else
//建立ThreadLocalMap
createMap(t, value);
return value;
}
複製代碼
其中，initialValue()方法是由咱們重寫的，須要注意的是，返回值必須爲new一個對象，而不是直接返回一個對象引用。由於若是多個線程都保存同一個引用的副本的話，那他們經過這個引用修改共享變量的值，是相互影響的。咱們原本的目的即是爲了獲取共享變量的初始值副本，各個線程對副本的修改不影響變量自己。
再來看看createMap是如何建立threadLocalMap的
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
複製代碼
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
//建立一個初始容量爲16的Entry數組
table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
//經過threadLocal的threadLocalHashCode來定位在數組中的位置
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
//保存在數組中
table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
//記錄下已用的大小
size = 1;
//設置閾值爲容量的2/3
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
複製代碼
3.2.2 初始化threadLocalMap
初始化threadLocalMap以後，此線程再次調用get()方法，又作了哪些操做呢
public T get() {
//獲取當前線程
Thread t = Thread.currentThread();
//獲取當前線程的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
//若是ThreadLocalMap已經被建立了，那麼經過當前的threadLocal對象做爲key，獲取value
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//若是ThreadLocalMap尚未被建立或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素
return setInitialValue();
}
複製代碼
能夠看到是經過map.getEntry(this)去查找元素的
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
//若是定位的元素的key與傳入的key不相等，那麼一直日後找
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
複製代碼
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
while (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key)
return e;
if (k == null)
//將過時的key清除掉，並把後面的元素（移動過位置的）往前移
expungeStaleEntry(i);
else
//日後移一位
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}
複製代碼
private static int nextIndex(int i, int len) {
return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}
複製代碼
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 清除當前元素
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
//將此元素後面的，由於hash衝突移動過位置的元素往前移
Entry e;
int i;
for (i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) {
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else {
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
//h != i說明有過hash衝突
if (h != i) {
tab[i] = null;
// Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
// null because multiple entries could have been stale.
while (tab[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
tab[h] = e;
}
}
}
return i;
}
複製代碼
若是map.getEntry(this)也找不到元素怎麼辦？
public T get() {
//獲取當前線程
Thread t = Thread.currentThread();
//獲取當前線程的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
//若是ThreadLocalMap已經被建立了，那麼經過當前的threadLocal對象做爲key，獲取value
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//若是ThreadLocalMap尚未被建立或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素
return setInitialValue();
}
複製代碼
那麼繼續調用setInitialValue()方法
private T setInitialValue() {
//initialValue方法通常會被重寫，不重寫的話，直接返回null
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
//獲取當前線程的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
//ThreadLocalMap已經被建立，那麼直接設置初始值（即保存變量副本），初始值來自initialValue方法
map.set(this, value);
else
//建立ThreadLocalMap
createMap(t, value);
return value;
}
複製代碼
能夠看到將會調用它裏面的map.set(this, value)方法
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
if (k == null) {
//替代過時的元素，並清除後面的一些過時元素
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
//若是在table中確實找不到，那麼新建一個
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
//若是沒有元素被清除，且超過閾值，那麼擴容並從新hash定位
rehash();
}
複製代碼
3.3 set()源碼分析
在看看set()方式處理與setInitialValue相似，少了獲取初始化值，其餘都相同，可參考get()方式中[ThreadLocalMap沒初始化方式](#3.2.2 初始化threadLocalMap):
public void set(T value) {
//獲取當前線程
Thread t = Thread.currentThread();
//獲取當前線程的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
複製代碼
3.4 總結
- 首先判斷當前線程的threadLocalMap是否存在，若不存在則建立一個。將ThreadLocal做爲key，共享變量初始值的副本做爲value，保存在threadLocalMap中
- 若threadLocalMap存在，那麼將ThreadLocal做爲key，經過hash散列定位在數組中的位置，查找value
- 若是在threadLocalMap中找不到（緣由：被刪除了，或者此ThreaLocal沒有加入到threadLocalMap，畢竟threadLocalMap能夠存放多個threadLocal），那麼將ThreadLocal做爲key，共享變量初始值的副本做爲value，保存在threadLocalMap中
- 在set的過程當中，若是當前位置有其餘元素（即hash衝突），那麼日後找，直到不存在其餘元素。而且在set的過程當中會清除一些過時（key爲null）的元素。最後將根據size大小，決定是否擴容，從新hash定位
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