使用 ThreadLocal 一次解決老大難問題
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程序員小樂(ID:study_tech)第 746 次推文 圖片來自 Pexelside
往日回顧：互聯網形勢不容樂觀，360董事長周鴻禕年會送「免裁卡」安定軍心
正文
1.ThreadLocal的使用場景
1.1 場景1
每一個線程須要一個獨享對象（一般是工具類，典型須要使用的類有SimpleDateFormat和Random）
每一個Thread內有本身的實例副本，不共享
比喻：教材只有一本，一塊兒作筆記有線程安全問題。複印後沒有問題，使用ThradLocal至關於複印了教材。
ThreadLocal
1.2 場景2
每一個線程內須要保存全局變量（例如在攔截器中獲取用戶信息），可讓不一樣方法直接使用，避免參數傳遞的麻煩
2.對以上場景的實踐
2.1 實踐場景1
/**
* 兩個線程打印日期
*/
public class ThreadLocalNormalUsage00 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String date = new ThreadLocalNormalUsage00().date(10);
System.out.println(date);
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String date = new ThreadLocalNormalUsage00().date(104707);
System.out.println(date);
}
}).start();
}
public String date(int seconds) {
//參數的單位是毫秒，從1970.1.1 00:00:00 GMT 開始計時
Date date = new Date(1000 * seconds);
SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
return dateFormat.format(date);
}
}
複製代碼
運行結果
由於中國位於東八區，因此時間從1970年1月1日的8點開始計算的
/**
* 三十個線程打印日期
*/
public class ThreadLocalNormalUsage01 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 30; i++) {
int finalI = i;
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String date = new ThreadLocalNormalUsage01().date(finalI);
System.out.println(date);
}
}).start();
//線程啓動後，休眠100ms
Thread.sleep(100);
}
}
public String date(int seconds) {
//參數的單位是毫秒，從1970.1.1 00:00:00 GMT 開始計時
Date date = new Date(1000 * seconds);
SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
return dateFormat.format(date);
}
}
複製代碼
運行結果
多個線程打印本身的時間（若是線程超級多就會產生性能問題），因此要使用線程池。
/**
* 1000個線程打印日期，用線程池來執行
*/
public class ThreadLocalNormalUsage02 {
public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int finalI = i;
//提交任務
threadPool.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String date = new ThreadLocalNormalUsage02().date(finalI);
System.out.println(date);
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
public String date(int seconds) {
//參數的單位是毫秒，從1970.1.1 00:00:00 GMT 開始計時
Date date = new Date(1000 * seconds);
SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
return dateFormat.format(date);
}
}
複製代碼
運行結果
可是使用線程池時就會發現每一個線程都有一個本身的SimpleDateFormat對象，沒有必要，因此將SimpleDateFormat聲明爲靜態，保證只有一個
/**
* 1000個線程打印日期，用線程池來執行，出現線程安全問題
*/
public class ThreadLocalNormalUsage03 {
public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
//只建立一次 SimpleDateFormat 對象，避免沒必要要的資源消耗
static SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int finalI = i;
//提交任務
threadPool.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String date = new ThreadLocalNormalUsage03().date(finalI);
System.out.println(date);
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
public String date(int seconds) {
//參數的單位是毫秒，從1970.1.1 00:00:00 GMT 開始計時
Date date = new Date(1000 * seconds);
return dateFormat.format(date);
}
}
複製代碼
運行結果
出現了秒數相同的打印結果，這顯然是不正確的。
出現問題的緣由
多個線程的task指向了同一個SimpleDateFormat對象，SimpleDateFormat是非線程安全的。
解決問題的方案
方案1：加鎖
格式化代碼是在最後一句return dateFormat.format(date);,因此能夠爲最後一句代碼添加synchronized鎖
public String date(int seconds) {
//參數的單位是毫秒，從1970.1.1 00:00:00 GMT 開始計時
Date date = new Date(1000 * seconds);
String s;
synchronized (ThreadLocalNormalUsage04.class) {
s = dateFormat.format(date);
}
return s;
}
複製代碼
運行結果
運行結果中沒有發現相同的時間，達到了線程安全的目的
缺點：由於添加了synchronized，因此會保證同一時間只有一條線程能夠執行，這在高併發場景下確定不是一個好的選擇，因此看看其餘方案吧。
方案2：使用ThreadLocal
/**
* 利用 ThreadLocal 給每一個線程分配本身的 dateFormat 對象
* 不但保證了線程安全，還高效的利用了內存
*/
public class ThreadLocalNormalUsage05 {
public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int finalI = i;
//提交任務
threadPool.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String date = new ThreadLocalNormalUsage05().date(finalI);
System.out.println(date);
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
public String date(int seconds) {
//參數的單位是毫秒，從1970.1.1 00:00:00 GMT 開始計時
Date date = new Date(1000 * seconds);
//獲取 SimpleDateFormat 對象
SimpleDateFormat dateFormat = ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal.get();
return dateFormat.format(date);
}
}
class ThreadSafeFormatter {
public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new
ThreadLocal<SimpleDateFormat>(){
//建立一份 SimpleDateFormat 對象
@Override
protected SimpleDateFormat initialValue() {
return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
}
};
}
複製代碼
運行結果
使用了ThreadLocal後不一樣的線程不會有共享的 SimpleDateFormat 對象，因此也就不會有線程安全問題
2.2 實踐場景2
當前用戶信息須要被線程內的全部方法共享
方案1：傳遞參數
能夠將user做爲參數在每一個方法中進行傳遞，
缺點：可是這樣作會產生代碼冗餘問題，而且可維護性差。
方案2：使用Map
對此進行改進的方案是使用一個Map，在第一個方法中存儲信息，後續須要使用直接get()便可，
缺點：若是在單線程環境下能夠保證安全，可是在多線程環境下是不能夠的。若是使用加鎖和ConcurrentHashMap都會產生性能問題。
方案3：使用ThreadLocal，實現不一樣方法間的資源共享
使用 ThreadLocal 能夠避免加鎖產生的性能問題，也能夠避免層層傳遞參數來實現業務需求，就能夠實現不一樣線程中存儲不一樣信息的要求。
/**
* 演示 ThreadLocal 的用法2：避免參數傳遞的麻煩
*/
public class ThreadLocalNormalUsage06 {
public static void main(String[] args) {
new Service1().process();
}
}
class Service1 {
public void process() {
User user = new User("魯毅");
//將User對象存儲到 holder 中
UserContextHolder.holder.set(user);
new Service2().process();
}
}
class Service2 {
public void process() {
User user = UserContextHolder.holder.get();
System.out.println("Service2拿到用戶名: " + user.name);
new Service3().process();
}
}
class Service3 {
public void process() {
User user = UserContextHolder.holder.get();
System.out.println("Service3拿到用戶名: " + user.name);
}
}
class UserContextHolder {
public static ThreadLocal<User> holder = new ThreadLocal<>();
}
class User {
String name;
public User(String name) {
this.name = name;
}
}
複製代碼
運行結果
3.對ThreadLocal的總結
讓某個須要用到的對象實現線程之間的隔離（每一個線程都有本身獨立的對象）
能夠在任何方法中輕鬆的獲取到該對象
根據共享對象生成的時機選擇使用initialValue方法仍是set方法
對象初始化的時機由咱們控制的時候使用initialValue 方式
若是對象生成的時機不禁咱們控制的時候使用 set 方式
4.使用ThreadLocal的好處
達到線程安全的目的
不須要加鎖，執行效率高
更加節省內存，節省開銷
免去傳參的繁瑣，下降代碼耦合度
5.ThreadLocal原理
Thread
ThreadLocal
ThreadLocalMap
在Thread類內部有有ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;這個變量，它用於存儲ThreadLocal，由於在同一個線程當中能夠有多個ThreadLocal，而且屢次調用get()因此須要在內部維護一個ThreadLocalMap用來存儲多個ThreadLocal
5.1 ThreadLocal相關方法
T initialValue()
該方法用於設置初始值，而且在調用get()方法時纔會被觸發，因此是懶加載。
可是若是在get()以前進行了set()操做，這樣就不會調用initialValue()。
一般每一個線程只能調用一次本方法，可是調用了remove()後就能再次調用
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
//獲取到了值直接返回resule
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//沒有獲取到纔會進行初始化
return setInitialValue();
}
private T setInitialValue() {
//獲取initialValue生成的值，並在後續操做中進行set，最後將值返回
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}
複製代碼
void set(T t)
爲這個線程設置一個新值
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
複製代碼
T get()
獲取線程對應的value
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
複製代碼
void remove()
刪除對應這個線程的值
6.ThreadLocal注意點
6.1 內存泄漏
內存泄露；某個對象不會再被使用，可是該對象的內存卻沒法被收回
static class ThreadLocalMap {
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
//調用父類，父類是一個弱引用
super(k);
//強引用
value = v;
}
}
複製代碼
強引用：當內存不足時觸發GC，寧願拋出OOM也不會回收強引用的內存
弱引用：觸發GC後便會回收弱引用的內存
正常狀況
當Thread運行結束後，ThreadLocal中的value會被回收，由於沒有任何強引用了
非正常狀況
當Thread一直在運行始終不結束，強引用就不會被回收，存在如下調用鏈 Thread-->ThreadLocalMap-->Entry(key爲null)-->value由於調用鏈中的 value 和 Thread 存在強引用，因此value沒法被回收，就有可能出現OOM。
JDK的設計已經考慮到了這個問題，因此在set()、remove()、resize()方法中會掃描到key爲null的Entry，而且把對應的value設置爲null，這樣value對象就能夠被回收。
private void resize() {
Entry[] oldTab = table;
int oldLen = oldTab.length;
int newLen = oldLen * 2;
Entry[] newTab = new Entry[newLen];
int count = 0;
for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
Entry e = oldTab[j];
if (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//當ThreadLocal爲空時，將ThreadLocal對應的value也設置爲null
if (k == null) {
e.value = null; // Help the GC
} else {
int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
while (newTab[h] != null)
h = nextIndex(h, newLen);
newTab[h] = e;
count++;
}
}
}
setThreshold(newLen);
size = count;
table = newTab;
}
複製代碼
可是隻有在調用set()、remove()、resize()這些方法時纔會進行這些操做，若是沒有調用這些方法而且線程不中止，那麼調用鏈就會一直存在，因此可能會發生內存泄漏。
6.2 如何避免內存泄漏（阿里規約）
調用remove()方法，就會刪除對應的Entry對象，能夠避免內存泄漏，因此使用完ThreadLocal後，要調用remove()方法。
class Service1 {
public void process() {
User user = new User("魯毅");
//將User對象存儲到 holder 中
UserContextHolder.holder.set(user);
new Service2().process();
}
}
class Service2 {
public void process() {
User user = UserContextHolder.holder.get();
System.out.println("Service2拿到用戶名: " + user.name);
new Service3().process();
}
}
class Service3 {
public void process() {
User user = UserContextHolder.holder.get();
System.out.println("Service3拿到用戶名: " + user.name);
//手動釋放內存，從而避免內存泄漏
UserContextHolder.holder.remove();
}
}
複製代碼
6.3 ThreadLocal的空指針異常問題
/**
* ThreadLocal的空指針異常問題
*/
public class ThreadLocalNPE {
ThreadLocal<Long> longThreadLocal = new ThreadLocal<>();
public void set() {
longThreadLocal.set(Thread.currentThread().getId());
}
public Long get() {
return longThreadLocal.get();
}
public static void main(String[] args) {
ThreadLocalNPE threadLocalNPE = new ThreadLocalNPE();
//若是get方法返回值爲基本類型，則會報空指針異常，若是是包裝類型就不會出錯
System.out.println(threadLocalNPE.get());
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
threadLocalNPE.set();
System.out.println(threadLocalNPE.get());
}
});
thread1.start();
}
}
複製代碼
6.4 空指針異常問題的解決
若是get方法返回值爲基本類型，則會報空指針異常，若是是包裝類型就不會出錯。這是由於基本類型和包裝類型存在裝箱和拆箱的關係，形成空指針問題的緣由在於使用者。
6.5 共享對象問題
若是在每一個線程中ThreadLocal.set()進去的東西原本就是多個線程共享的同一對象，好比static對象，那麼多個線程調用ThreadLocal.get()獲取的內容仍是同一個對象，仍是會發生線程安全問題。
6.6 能夠不使用ThreadLocal就不要強行使用
若是在任務數不多的時候，在局部方法中建立對象就能夠解決問題，這樣就不須要使用ThreadLocal。
6.7 優先使用框架的支持，而不是本身創造
例如在Spring框架中，若是可使用RequestContextHolder，那麼就不須要本身維護ThreadLocal，由於本身可能會忘記調用remove()方法等，形成內存泄漏。
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