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理解ThreadLocal类

2024-07-10 02:50:11   228人阅读

1 ThreadLocal是什么 

早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。 ThreadLocal，顾名思义，它不是一个线程，而是线程的一个本地化对象。当工作于多线程中的对象使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程分配一个独立的变量副本。所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其他线程所对应的副本。从线程的角度看，这个变量就像是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。
API的解释：该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物，因为访问某个变量（通过其 get 或 set 方法）的每个线程都有自己的局部变量，它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal 实例通常是类中的 private static 字段，它们希望将状态与某一个线程（例如，用户 ID 或事务 ID）相关联。
API提供的使用例子：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class ThreadId {
	// Atomic integer containing the next thread ID to be assigned
	private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);

	// Thread local variable containing each thread's ID
	private static final ThreadLocal<Integer> threadId = new ThreadLocal<Integer>() {
		@Override
		protected Integer initialValue() {
			return nextId.getAndIncrement();
		}
	};

	// Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessary
	public static int get() {
		return threadId.get();
	}
}
每个线程都保持对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收（除非存在对这些副本的其他引用）。

2 ThreadLocal类的实现与方法介绍 

ThreadLocal类有4个方法如下
void set(Object value) ：设置当前线程的线程局部变量的值；
public Object get()       ：该方法返回当前线程所对应的线程局部变量；
public void remove()    ：将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度；
protected Object initialValue()  ：返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的默认实现直接返回一个null。 

Java语言中，如果一个变量要被多线程访问，可以使用volatile关键字声明它为“易变的”；如果一个变量要被某个线程独享，Java中就没有类似C++中_declspec(thread)这样的关键字，不过还是可以使用ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象，这个对象存储了一组以ThreadLocal.threadLocalHashCode为键，以本地线程变量为值的K-V值对，ThreadLocal对象就是当前线程的ThreadLocalMap访问入口，每一个ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的threadLocalHashCode值，使用这个值就可以在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。
ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢？其实实现的思路很简单：在ThreadLocal类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。
简单的实现版本（和jdk的实现思路类似）：
public class SimpleThreadLocal {
	private final Map valueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

	public void set(Object newValue) {
		//键为线程对象，值为本线程的变量副本
		valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);
	}

	public Object get() {
		Thread currentThread = Thread.currentThread();

		//返回本线程对应的变量
		Object o = valueMap.get(currentThread);

		//如果在Map中不存在，放到Map中保存起来
		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;
	}
}

3  一个多线程例子

通过一个具体的实例了解一下ThreadLocal的具体使用方法
public class SequenceNumber {

	// 通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
	private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {
		@Override
		public Integer initialValue() {
			return 0;
		}
	};

	// 获取下一个序列值
	public int getNextNum() {
		seqNum.set(seqNum.get() + 1);
		return seqNum.get();
	}

	public static void main(String[] args) {
		SequenceNumber sn = new SequenceNumber();

		// 3个线程共享sn，各自产生序列号
		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 final SequenceNumber sn;

		public TestClient(SequenceNumber sn) {
			this.sn = sn;
		}

		@Override
		public void run() {
			//每个线程打出3个序列值
			for (int i = 0; i < 3; i++) {
				System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName()
						+ "] sn[" + sn.getNextNum() + "]");
			}
		}
	}
}
考查下面输出的结果信息，我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个Sequence Number实例，但它们并没有发生相互干扰的情况，而是各自产生独立的序列号，这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。 
thread[Thread-1] sn[1]
thread[Thread-1] sn[2]
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-2] sn[1]
thread[Thread-0] sn[2]
thread[Thread-0] sn[3]
thread[Thread-1] sn[3]
thread[Thread-2] sn[2]
thread[Thread-2] sn[3]

4  总结

ThreadLocal本质上是从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对访问数据的冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的对象封装，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。 概括起来说，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式：访问串行化，对象共享化。而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式：访问并行化，对象独享化。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。 


参考书目：
深入理解JVM，Spring3.x开发实战


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