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ThreadLocal类深刻理解

2024-07-04 13:53:27   236人阅读

synchronized这类线程同步的机制可以解决多线程并发问题，在这种解决方案下，多个线程访问到的，都是同一份变量的内容。为了防止在多线程访问的过程中，可能会出现的并发错误。不得不对多个线程的访问进行同步，这样也就意味着，多个线程必须先后对变量的值进行访问或者修改，这是一种以延长访问时间来换取线程安全性的策略。

而ThreadLocal类为每一个线程都维护了自己独有的变量拷贝。每个线程都拥有了自己独立的一个变量，竞争条件被彻底消除了，那就没有任何必要对这些线程进行同步，它们也能最大限度的由CPU调度，并发执行。并且由于每个线程在访问该变量时，读取和修改的，都是自己独有的那一份变量拷贝，变量被彻底封闭在每个访问的线程中，并发错误出现的可能也完全消除了。对比前一种方案，这是一种以空间来换取线程安全性的策略。

主要方法如下：

ThreadLocal()
          创建一个线程本地变量。
T get()
          返回此线程局部变量的当前线程副本中的值，如果这是线程第一次调用该方法，则创建并初始化此副本。
protected  T initialValue()
          返回此线程局部变量的当前线程的初始值。最多在每次访问线程来获得每个线程局部变量时调用此方法一次，即线程第一次使用 get() 方法访问变量的时候。如果线程先于 get 方法调用 set(T) 方法，则不会在线程中再调用 initialValue 方法。
 
   若该实现只返回 null；如果程序员希望将线程局部变量初始化为 null 以外的某个值，则必须为 ThreadLocal 创建子类，并重写此方法。通常，将使用匿名内部类。initialValue 的典型实现将调用一个适当的构造方法，并返回新构造的对象。
 
void remove()
          移除此线程局部变量的值。这可能有助于减少线程局部变量的存储需求。如果再次访问此线程局部变量，那么在默认情况下它将拥有其 initialValue。
 
void set(T value)
          将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。许多应用程序不需要这项功能，它们只依赖于 initialValue() 方法来设置线程局部变量的值。
 
在程序中一般都重写initialValue方法，以给定一个特定的初始值。

典型实例：
1、Hiberante的Session 工具类HibernateUtil
   这个类是Hibernate官方文档中HibernateUtil类，用于session管理。
   public class HibernateUtil {
    private static Log log = LogFactory.getLog(HibernateUtil.class);
    private static final SessionFactory sessionFactory;     //定义SessionFactory
 
    static {
        try {
            // 通过默认配置文件hibernate.cfg.xml创建SessionFactory
            sessionFactory = new Configuration().configure().buildSessionFactory();
        } catch (Throwable ex) {
            log.error("初始化SessionFactory失败！", ex);
            throw new ExceptionInInitializerError(ex);
        }
    }

    //创建线程局部变量session，用来保存Hibernate的Session
    public static final ThreadLocal session = new ThreadLocal();
 
    /**
     * 获取当前线程中的Session
     * @return Session
     * @throws HibernateException
     */
    public static Session currentSession() throws HibernateException {
        Session s = (Session) session.get();
        // 如果Session还没有打开，则新开一个Session
        if (s == null) {
            s = sessionFactory.openSession();
            session.set(s);         //将新开的Session保存到线程局部变量中
        }
        return s;
    }
    public static void closeSession() throws HibernateException {
        //获取线程局部变量，并强制转换为Session类型
        Session s = (Session) session.get();
        session.set(null);
        if (s != null)
            s.close();
    }
}
   在这个类中，由于没有重写ThreadLocal的initialValue()方法，则首次创建线程局部变量session其初始值为null，第一次调用currentSession()的时候，线程局部变量的get()方法也为null。因此，对session做了判断，如果为null，则新开一个Session，并保存到线程局部变量session中，这一步非常的关键，这也是“public static final ThreadLocal session = new ThreadLocal()”所创建对象session能强制转换为Hibernate Session对象的原因。

2、创建一个Bean，通过不同的线程对象设置Bean属性，保证各个线程Bean对象的独立性。

/**
 * 学生
 */
public class Student {
    private int age = 0;   //年龄
 
    public int getAge() {
        return this.age;
    }
 
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

/**
 * 多线程下测试程序
 */
public class ThreadLocalDemo implements Runnable {
    //创建线程局部变量studentLocal，在后面你会发现用来保存Student对象
    private final static ThreadLocal studentLocal = new ThreadLocal();
 
    public static void main(String[] agrs) {
        ThreadLocalDemo td = new ThreadLocalDemo();
        Thread t1 = new Thread(td, "a");
        Thread t2 = new Thread(td, "b");
        t1.start();
        t2.start();
    }
 
    public void run() {
        accessStudent();
    }
 
    /**
     * 示例业务方法，用来测试
     */
    public void accessStudent() {
        //获取当前线程的名字
        String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(currentThreadName + " is running!");
        //产生一个随机数并打印
        Random random = new Random();
        int age = random.nextInt(100);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age);
        //获取一个Student对象，并将随机数年龄插入到对象属性中
        Student student = getStudent();
        student.setAge(age);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " first read age is:" + student.getAge());
        try {
            Thread.sleep(500);
        }
        catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge());
    }
 
    protected Student getStudent() {
        //获取本地线程变量并强制转换为Student类型
        Student student = (Student) studentLocal.get();
        //线程首次执行此方法的时候，studentLocal.get()肯定为null
        if (student == null) {
            //创建一个Student对象，并保存到本地线程变量studentLocal中
            student = new Student();
            studentLocal.set(student);
        }
        return student;
    }
}
运行结果：
a is running! 
thread a set age to:76 
b is running! 
thread b set age to:27 
thread a first read age is:76 
thread b first read age is:27 
thread a second read age is:76 
thread b second read age is:27 
可以看到a、b两个线程age在不同时刻打印的值是完全相同的。这个程序通过妙用ThreadLocal，既实现多线程并发，游兼顾数据的安全性。

3、数据库连接管理

     

public class ConnectionManager {
06 
07    private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
08        @Override
09        protected Connection initialValue() {
10            Connection conn = null;
11            try {
12                conn = DriverManager.getConnection(
13                        "jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username",
14                        "password");
15            } catch (SQLException e) {
16                e.printStackTrace();
17            }
18            return conn;
19        }
20    };
21 
22    public static Connection getConnection() {
23        return connectionHolder.get();
24    }
25 
26    public static void setConnection(Connection conn) {
27        connectionHolder.set(conn);
28    }
29}

知其所以然

那么到底ThreadLocal类是如何实现这种“为每个线程提供不同的变量拷贝”的呢？先来看一下ThreadLocal的set()方法的源码是如何实现的：

01    /**
02     * Sets the current thread‘s copy of this thread-local variable
03     * to the specified value.  Most subclasses will have no need to 
04     * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
05     * method to set the values of thread-locals.
06     *
07     * @param value the value to be stored in the current thread‘s copy of
08     *        this thread-local.
09     */
10    public void set(T value) {
11        Thread t = Thread.currentThread();
12        ThreadLocalMap map = getMap(t);
13        if (map != null)
14            map.set(this, value);
15        else
16            createMap(t, value);
17    }

没有什么魔法，在这个方法内部我们看到，首先通过getMap(Thread t)方法获取一个和当前线程相关的ThreadLocalMap，然后将变量的值设置到这个ThreadLocalMap对象中，当然如果获取到的ThreadLocalMap对象为空，就通过createMap方法创建。

线程隔离的秘密，就在于ThreadLocalMap这个类。ThreadLocalMap是ThreadLocal类的一个静态内部类，它实现了键值对的设置和获取（对比Map对象来理解），每个线程中都有一个独立的ThreadLocalMap副本，它所存储的值，只能被当前线程读取和修改。ThreadLocal类通过操作每一个线程特有的ThreadLocalMap副本，从而实现了变量访问在不同线程中的隔离。因为每个线程的变量都是自己特有的，完全不会有并发错误。还有一点就是，ThreadLocalMap存储的键值对中的键是this对象指向的ThreadLocal对象，而值就是你所设置的对象了。

为了加深理解，我们接着看上面代码中出现的getMap和createMap方法的实现：

1ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
2        return t.threadLocals;
3    }
1void createMap(Thread t, T firstValue) {
2        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
3    }

代码已经说的非常直白，就是获取和设置Thread内的一个叫threadLocals的变量，而这个变量的类型就是ThreadLocalMap，这样进一步验证了上文中的观点：每个线程都有自己独立的ThreadLocalMap对象。打开java.lang.Thread类的源代码，我们能得到更直观的证明：

1/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
2     * by the ThreadLocal class. */
3    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

那么接下来再看一下ThreadLocal类中的get()方法，代码是这么说的：

view source
print?
01/**
02     * Returns the value in the current thread‘s copy of this
03     * thread-local variable.  If the variable has no value for the
04     * current thread, it is first initialized to the value returned
05     * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
06     *
07     * @return the current thread‘s value of this thread-local
08     */
09    public T get() {
10        Thread t = Thread.currentThread();
11        ThreadLocalMap map = getMap(t);
12        if (map != null) {
13            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
14            if (e != null)
15                return (T)e.value;
16        }
17        return setInitialValue();
18    }
19 
20    /**
21     * Variant of set() to establish initialValue. Used instead
22     * of set() in case user has overridden the set() method.
23     *
24     * @return the initial value
25     */
26    private T setInitialValue() {
27        T value = http://www.mamicode.com/initialValue();
28        Thread t = Thread.currentThread();
29        ThreadLocalMap map = getMap(t);
30        if (map != null)
31            map.set(this, value);
32        else
33            createMap(t, value);
34        return value;
35    }

这两个方法的代码告诉我们，在获取和当前线程绑定的值时，ThreadLocalMap对象是以this指向的ThreadLocal对象为键进行查找的，这当然和前面set()方法的代码是相呼应的。

进一步地，我们可以创建不同的ThreadLocal实例来实现多个变量在不同线程间的访问隔离，为什么可以这么做？因为不同的ThreadLocal对象作为不同键，当然也可以在线程的ThreadLocalMap对象中设置不同的值了。通过ThreadLocal对象，在多线程中共享一个值和多个值的区别，就像你在一个HashMap对象中存储一个键值对和多个键值对一样，仅此而已。

设置到这些线程中的隔离变量，会不会导致内存泄漏呢？ThreadLocalMap对象保存在Thread对象中，当某个线程终止后，存储在其中的线程隔离的变量，也将作为Thread实例的垃圾被回收掉，所以完全不用担心内存泄漏的问题。在多个线程中隔离的变量，光荣的生，合理的死，真是圆满，不是么？

最后再提一句，ThreadLocal变量的这种隔离策略，也不是任何情况下都能使用的。如果多个线程并发访问的对象实例只允许，也只能创建那么一个，那就没有别的办法了，老老实实的使用同步机制来访问吧。


总结：

ThreadLocal使用场合主要解决多线程中数据数据因并发产生不一致问题。ThreadLocal为每个线程的中并发访问的数据提供一个副本，通过访问副本来运行业务，这样的结果是耗费了内存，单大大减少了线程同步所带来性能消耗，也减少了线程并发控制的复杂度。
 
ThreadLocal不能使用原子类型，只能使用Object类型。ThreadLocal的使用比synchronized要简单得多。
 
ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。但是ThreadLocal与synchronized有本质的区别。synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问。而ThreadLocal为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。而Synchronized却正好相反，它用于在多个线程间通信时能够获得数据共享。
 
Synchronized用于线程间的数据共享，而ThreadLocal则用于线程间的数据隔离。
 
当然ThreadLocal并不能替代synchronized,它们处理不同的问题域。Synchronized用于实现同步机制，比ThreadLocal更加复杂。

ThreadLocal使用的一般步骤

1、在多线程的类（如ThreadDemo类）中，创建一个ThreadLocal对象threadXxx，用来保存线程间需要隔离处理的对象xxx。
2、在ThreadDemo类中，创建一个获取要隔离访问的数据的方法getXxx()，在方法中判断，若ThreadLocal对象为null时候，应该new()一个隔离访问类型的对象，并强制转换为要应用的类型。
3、在ThreadDemo类的run()方法中，通过getXxx()方法获取要操作的数据，这样可以保证每个线程对应一个数据对象，在任何时刻都操作的是这个对象。


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