深刻理解線程局部變量：ThreadLocal
咱們知道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。要想了解Spring事務管理的底層技術，ThreadLocal是必須攻克的山頭堡壘。
java
1 ThreadLocal概述
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。
sql
學習JDK中的類，首先看下JDK API對此類的描述，描述以下：編程
該類提供了線程局部 (thread-local) 變量。這些變量不一樣於它們的普通對應物，由於訪問某個變量（經過其 get 或 set 方法）的每一個線程都有本身的局部變量，它獨立於變量的初始化副本。ThreadLocal 實例一般是類中的 private static 字段，它們但願將狀態與某一個線程（例如，用戶 ID 或事務 ID）相關聯。
API表達了下面幾種觀點：緩存
一、ThreadLocal不是線程，是線程的一個變量，你能夠先簡單理解爲線程類的屬性變量。安全
二、ThreadLocal在類中一般定義爲靜態變量。多線程
三、每一個線程有本身的一個ThreadLocal，它是變量的一個「拷貝」，修改它不影響其餘線程。併發
既然定義爲類變量，爲什麼爲每一個線程維護一個副本（姑且稱爲「拷貝」容易理解），讓每一個線程獨立訪問？多線程編程的經驗告訴咱們，對於線程共享資源（你能夠理解爲屬性），資源是否被全部線程共享，也就是說這個資源被一個線程修改是否影響另外一個線程的運行，若是影響咱們須要使用synchronized同步，讓線程順序訪問。框架
ThreadLocal適用於資源共享但不須要維護狀態的狀況，也就是一個線程對資源的修改，不影響另外一個線程的運行；這種設計是‘空間換時間’，synchronized順序執行是‘時間換取空間’。ide
2 ThreadLocal方法及使用示例
ThreadLocal<T>類在Spring，Hibernate等框架中起到了很大的做用。爲了解釋ThreadLocal類的工做原理，必須同時介紹與其工做甚密的其餘幾個類，包括內部類ThreadLocalMap，和線程類Thread。全部方法以下圖：工具
四個核心方法說明以下：
T get() 返回此線程局部變量的當前線程副本中的值。
protected T initialValue() 返回此線程局部變量的當前線程的「初始值」。
void remove() 移除此線程局部變量當前線程的值。
void set(T value) 將此線程局部變量的當前線程副本中的值設置爲指定值。
可能有人會以爲Thread與ThreadLocal有什麼關係，其實真正的奧祕就在Thread類中的一行代碼：
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
其中ThreadLocalMap的定義是在ThreadLocal類中，真正的引用倒是在Thread類中。那麼ThreadLocalMap到底是什麼呢？能夠看到這個類應該是一個Map，JDK的解釋是：ThreadLocalMap is a customized hash map suitable only for maintaining thread local values。
接下來的重點是ThreadLocalMap中用於存儲數據的entry：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
從中咱們能夠發現這個Map的key是ThreadLocal變量，value爲用戶的值，並非不少人認爲的key是線程的名字或者標識。到這裏，咱們就能夠理解ThreadLocal到底是如何工做的了。
1. Thread類中有一個成員變量叫作ThreadLocalMap，它是一個Map，他的Key是ThreadLocal類
2. 每一個線程擁有本身的申明爲ThreadLocal類型的變量，因此這個類的名字叫ThreadLocal：線程本身的（變量）。
3. 此變量生命週期是由該線程決定的，開始於第一次初始化（get或者set方法）。
4. 由ThreadLocal的工做原理決定了：每一個線程獨自擁有一個變量，並不是共享或者拷貝。
下面，咱們經過一個具體的實例瞭解一下ThreadLocal的具體使用方法。
package com.baobaotao.basic;
public class SequenceNumber {
//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)
{
SequenceNumber sn = new SequenceNumber();
//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 SequenceNumber sn;
public TestClient(SequenceNumber sn) {
this.sn = sn;
}
public void run()
{
//④每一個線程打出3個序列值
for (int i = 0; i < 3; i++) {
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SequenceNumber實例。運行以上代碼，在控制檯上輸出如下的結果：
thread[Thread-2] sn[1]
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-1] sn[1]
thread[Thread-2] sn[2]
thread[Thread-0] sn[2]
thread[Thread-1] sn[2]
thread[Thread-2] sn[3]
thread[Thread-0] sn[3]
thread[Thread-1] sn[3]
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。
接下來分析一下ThreadLocal的源碼，就更加清楚了。
3 深刻源碼
ThreadLocal有一個ThreadLocalMap靜態內部類，你能夠簡單理解爲一個Map，這個Map爲每一個線程複製一個變量的‘拷貝’存儲其中。
當線程調用ThreadLocal.get()方法獲取變量時，首先獲取當前線程引用，以此爲key去獲取響應的ThreadLocalMap，若是此‘Map’不存在則初始化一個，不然返回其中的變量，代碼以下：
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
/**
* 獲得當前線程的ThreadLocalMap
*/
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
/**
* 在此線程的ThreadLocalMap中查找key爲當前ThreadLocal對象的entry
*/
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null)
return (T)e.value;
}
return setInitialValue();
}
/**
* 關鍵方法，返回當前Thread的ThreadLocalMap
* [[[每一個Thread返回各自的ThreadLocalMap，因此各個線程中的ThreadLocal均爲獨立的]]]
*/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
調用get方法若是此Map不存在首先初始化，建立此map，將線程爲key，初始化的vlaue存入其中，注意此處的initialValue，咱們能夠覆蓋此方法，在首次調用時初始化一個適當的值。
對於ThreadLocal在何處存儲變量副本，咱們看getMap方法：獲取的是當前線程的ThreadLocal類型的threadLocals屬性。顯然變量副本存儲在每個線程中。
setInitialValue代碼以下：
private T setInitialValue() {
/**
* 默認返回null，這個方法爲protected能夠繼承
*/
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
/**
* 初次建立
*/
createMap(t, value);
return value;
}
/**
* 給當前thread初始ThreadlocalMap
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
set方法相對比較簡單，若是理解以上倆個方法。獲取當前線程的引用，從map中獲取該線程對應的map，若是map存在更新緩存值，不然建立並存儲，代碼以下：
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
上面咱們知道變量副本存放於何處，這裏咱們簡單說下如何被java的垃圾收集機制收集，當咱們不在使用時調用set(null)，此時不在將引用指向該‘map’，而線程退出時會執行資源回收操做，將申請的資源進行回收，其實就是將屬性的引用設置爲null。這時已經不在有任何引用指向該map，故而會被垃圾收集。
咱們本身就能夠實現一個簡化版本的ThreadLocal，裏面有一個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。
public class SimpleThreadLocal {
private Map valueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
public void set(Object newValue) {
//①鍵爲線程對象，值爲本線程的變量副本
valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);
}
public Object get() {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
//②返回本線程對應的變量
Object o = valueMap.get(currentThread);
//③若是在Map中不存在，放到Map中保存起來
if (o == null && !valueMap.containsKey(currentThread)) {
o = initialValue();
valueMap.put(currentThread, o);
}
return o;
}
public void remove() {
valueMap.remove(Thread.currentThread());
}
public Object initialValue() {
return null;
}
}
雖然上述代碼清單中這個ThreadLocal實現版本顯得比較幼稚，但它和JDK所提供的ThreadLocal類在實現思路上是很是相近的。
經過以上的分析，咱們發現，ThreadLocal類的使用雖然是用來解決多線程的問題的，可是仍是有很明顯的針對性。最明顯的，ThreadLoacl變量的活動範圍爲某線程，而且個人理解是該線程「專有的，獨自霸佔」，對該變量的全部操做均有該線程完成！也就是說，ThreadLocal不是用來解決共享，競爭問題的。典型的應用莫過於Spring，Hibernate等框架中對於多線程的處理了。
下面是hibernate中典型的ThreadLocal的應用：
private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();
public static Session getSession() throws InfrastructureException {
Session s = (Session) threadSession.get();
try {
if (s == null) {
s = getSessionFactory().openSession();
threadSession.set(s);
}
} catch (HibernateException ex) {
throw new InfrastructureException(ex);
}
return s;
}
這段代碼，每一個線程有本身的ThreadLocalMap，每一個ThreadLocalMap中根據須要初始加載threadSession,這樣的好處就是介於singleton與prototype之間，應用singleton沒法解決線程，應用prototype開銷又太大，有了ThreadLocal以後就行了，對於須要線程「霸佔」的變量用ThreadLocal，而該類實例的方法都可以共享。
關於內存泄漏：雖然ThreadLocalMap已經使用了weakReference，可是仍是建議可以顯示的使用remove方法。
4 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。
5 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。
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。
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。
下面的實例可以體現Spring對有狀態Bean的改造思路：
TopicDao：非線程安全
public class TopicDao {
//①一個非線程安全的變量
private Connection conn;
public void addTopic(){
//②引用非線程安全變量
Statement stat = conn.createStatement();
// …
}
}
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：
TopicDao：線程安全
import java.sql.Connection;
import java.sql.Statement;
public class TopicDao {
//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 = ConnectionManager.getConnection();
connThreadLocal.set(conn);
return conn;
}else{
//③直接返回線程本地變量
return connThreadLocal.get();
}
}
public void addTopic() {
//④從ThreadLocal中獲取線程對應的
Statement stat = getConnection().createStatement();
}
}
不一樣的線程在使用TopicDao時，先判斷connThreadLocal.get()是否爲null，若是爲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，而不會使用其餘線程的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，但沒法和其餘Dao共用同一個Connection，要作到同一事務多個Dao共享同一個Connection，必須在一個共同的外部類使用ThreadLocal保存Connection。但這個實例基本上說明了Spring對有狀態類線程安全化的解決思路。
參考文獻：
- 1. ThreadLocal（線程局部變量）
- 2. ThreadLocal線程局部變量
- 3. 線程局部變量 threadLocal
- 4. 線程局部變量（ThreadLocal）
- 5. 深入理解線程局部變量：ThreadLocal
- 6. 深入學習線程局部變量ThreadLocal
- 7. 線程局部變量（ThreadLocal）原理分析
- 8. Java多線程探究-線程局部變量ThreadLocal
- 9. 深刻理解 ThreadLocal
- 10. 深刻理解ThreadLocal
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