深入剖析ThreadLocal

要了解ThreadLocal,首先搞清楚ThreadLocal 是什么?是用来解决什么问题的?

ThreadLocal 是线程的局部变量, 是每一个线程所单独持有的,其他线程不能对其进行访问, 通常是类中的 private static 字段,是对该字段初始值的一个拷贝,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

我们知道有时候一个对象的变量会被多个线程所访问,这时就会有线程安全问题,当然我们可以使用synchorinized 关键字来为此变量加,进行同步处理,从而限制只能有一个线程来使用此变量,但是加锁会大大影响程序执行效率,此外我们还可以使用ThreadLocal来解决对某一个变量的访问冲突问题。

当使用ThreadLocal维护变量的时候 为每一个使用该变量的线程提供一个独立的变量副本,即每个线程内部都会有一个该变量,这样同时多个线程访问该变量并不会彼此相互影响,因此他们使用的都是自己从内存中拷贝过来的变量的副本, 这样就不存在线程安全问题,也不会影响程序的执行性能。

但是要注意,虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题,但是由于在每个线程中都创建了副本,所以要考虑它对资源的消耗,比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

,今天我们就来一起探讨下ThreadLocal的使用方法和实现原理。首先,本文先谈一下对ThreadLocal的理解,然后根据ThreadLocal类的源码分析了其实现原理和使用需要注意的地方,最后给出了两个应用场景。

以下是本文目录大纲:

一.对ThreadLocal的理解

二.深入解析ThreadLocal类

三.ThreadLocal的应用场景

若有不正之处请多多谅解,并欢迎批评指正。

一.对ThreadLocal的理解

ThreadLocal,很多地方叫做线程本地变量,也有些地方叫做线程本地存储,其实意思差不多。可能很多朋友都知道ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本,那么每个线程可以访问自己内部的副本变量。

这句话从字面上看起来很容易理解,但是真正理解并不是那么容易。

我们还是先来看一个例子:

class ConnectionManager {

private static Connection connect = null;

public static Connection openConnection() {

if(connect == null){

connect = DriverManager.getConnection();

}

return connect;

}

public static void closeConnection() {

if(connect!=null)

connect.close();

}

}

假设有这样一个数据库链接管理类,这段代码在单线程中使用是没有任何问题的,但是如果在多线程中使用呢?很显然,在多线程中使用会存在线程安全问题:第一,这里面的2个方法都没有进行同步,很可能在openConnection方法中会多次创建connect;第二,由于connect是共享变量,那么必然在调用connect的地方需要使用到同步来保障线程安全,因为很可能一个线程在使用connect进行数据库操作,而另外一个线程调用closeConnection关闭链接。

所以出于线程安全的考虑,必须将这段代码的两个方法进行同步处理,并且在调用connect的地方需要进行同步处理。

这样将会大大影响程序执行效率,因为一个线程在使用connect进行数据库操作的时候,其他线程只有等待。

那么大家来仔细分析一下这个问题,这地方到底需不需要将connect变量进行共享?事实上,是不需要的。假如每个线程中都有一个connect变量,各个线程之间对connect变量的访问实际上是没有依赖关系的,即一个线程不需要关心其他线程是否对这个connect进行了修改的。

到这里,可能会有朋友想到,既然不需要在线程之间共享这个变量,可以直接这样处理,在每个需要使用数据库连接的方法中具体使用时才创建数据库链接,然后在方法调用完毕再释放这个连接。比如下面这样:

class ConnectionManager {

private  Connection connect = null;

public Connection openConnection() {

if(connect == null){

connect = DriverManager.getConnection();

}

return connect;

}

public void closeConnection() {

if(connect!=null)

connect.close();

}

}

class Dao{

public void insert() {

ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();

Connection connection = connectionManager.openConnection();

//使用connection进行操作

connectionManager.closeConnection();

}

}

这样处理确实也没有任何问题,由于每次都是在方法内部创建的连接,那么线程之间自然不存在线程安全问题。但是这样会有一个致命的影响:导致服务器压力非常大,并且严重影响程序执行性能。由于在方法中需要频繁地开启和关闭数据库连接,这样不尽严重影响程序执行效率,还可能导致服务器压力巨大。

那么这种情况下使用ThreadLocal是再适合不过的了,因为ThreadLocal在每个线程中对该变量会创建一个副本,即每个线程内部都会有一个该变量,且在线程内部任何地方都可以使用,线程之间互不影响,这样一来就不存在线程安全问题,也不会严重影响程序执行性能。

但是要注意,虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题,但是由于在每个线程中都创建了副本,所以要考虑它对资源的消耗,比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

二.深入解析ThreadLocal类

在上面谈到了对ThreadLocal的一些理解,那我们下面来看一下具体ThreadLocal是如何实现的。

先了解一下ThreadLocal类提供的几个方法:

public T get() { }

public void set(T value) { }

public void remove() { }

protected T initialValue() { }

get()方法是用来获取ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本,set()用来设置当前线程中变量的副本,remove()用来移除当前线程中变量的副本,initialValue()是一个protected方法,一般是用来在使用时进行重写的,它是一个延迟加载方法,下面会详细说明。

首先我们来看一下ThreadLocal类是如何为每个线程创建一个变量的副本的。

先看下get方法的实现:

深入剖析ThreadLocal

第一句是取得当前线程,然后通过getMap(t)方法获取到一个map,map的类型为ThreadLocalMap。然后接着下面获取到<key,value>键值对,注意这里获取键值对传进去的是  this,而不是当前线程t。

如果获取成功,则返回value值。

如果map为空,则调用setInitialValue方法返回value。

我们上面的每一句来仔细分析:

首先看一下getMap方法中做了什么:

深入剖析ThreadLocal

可能大家没有想到的是,在getMap中,是调用当期线程t,返回当前线程t中的一个成员变量threadLocals。

那么我们继续取Thread类中取看一下成员变量threadLocals是什么:

深入剖析ThreadLocal

实际上就是一个ThreadLocalMap,这个类型是ThreadLocal类的一个内部类,我们继续取看ThreadLocalMap的实现:

深入剖析ThreadLocal

可以看到ThreadLocalMap的Entry继承了WeakReference,并且使用ThreadLocal作为键值。

然后再继续看setInitialValue方法的具体实现:

深入剖析ThreadLocal 深入剖析ThreadLocal

很容易了解,就是如果map不为空,就设置键值对,为空,再创建Map,看一下createMap的实现:

深入剖析ThreadLocal 深入剖析ThreadLocal

至此,可能大部分朋友已经明白了ThreadLocal是如何为每个线程创建变量的副本的:

首先,在每个线程Thread内部有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals,这个threadLocals就是用来存储实际的变量副本的,键值为当前ThreadLocal变量,value为变量副本(即T类型的变量)。

初始时,在Thread里面,threadLocals为空,当通过ThreadLocal变量调用get()方法或者set()方法,就会对Thread类中的threadLocals进行初始化,并且以当前ThreadLocal变量为键值,以ThreadLocal要保存的副本变量为value,存到threadLocals。

然后在当前线程里面,如果要使用副本变量,就可以通过get方法在threadLocals里面查找。

下面通过一个例子来证明通过ThreadLocal能达到在每个线程中创建变量副本的效果:

public class Test {

ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();

ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();

public void set() {

longLocal.set(Thread.currentThread().getId());

stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());

}

public long getLong() {

return longLocal.get();

}

public String getString() {

return stringLocal.get();

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

final Test test = new Test();

test.set();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

Thread thread1 = new Thread(){

public void run() {

test.set();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

};

};

thread1.start();

thread1.join();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

}

}

这段代码的输出结果为:

深入剖析ThreadLocal

从这段代码的输出结果可以看出,在main线程中和thread1线程中,longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一样。最后一次在main线程再次打印副本值是为了证明在main线程中和thread1线程中的副本值确实是不同的。

总结一下:

1)实际的通过ThreadLocal创建的副本是存储在每个线程自己的threadLocals中的;

2)为何threadLocals的类型ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象,因为每个线程中可有多个threadLocal变量,就像上面代码中的longLocal和stringLocal;

3)在进行get之前,必须先set,否则会报空指针异常;

如果想在get之前不需要调用set就能正常访问的话,必须重写initialValue()方法。

因为在上面的代码分析过程中,我们发现如果没有先set的话,即在map中查找不到对应的存储,则会通过调用setInitialValue方法返回i,而在setInitialValue方法中,有一个语句是T value = initialValue(), 而默认情况下,initialValue方法返回的是null。

深入剖析ThreadLocal

看下面这个例子:

public class Test {

ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();

ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();

public void set() {

longLocal.set(Thread.currentThread().getId());

stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());

}

public long getLong() {

return longLocal.get();

}

public String getString() {

return stringLocal.get();

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

final Test test = new Test();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

Thread thread1 = new Thread(){

public void run() {

test.set();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

};

};

thread1.start();

thread1.join();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

}

}

在main线程中,没有先set,直接get的话,运行时会报空指针异常。

但是如果改成下面这段代码,即重写了initialValue方法:

public class Test {

ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>(){

protected Long initialValue() {

return Thread.currentThread().getId();

};

};

ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>(){;

protected String initialValue() {

return Thread.currentThread().getName();

};

};

public void set() {

longLocal.set(Thread.currentThread().getId());

stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());

}

public long getLong() {

return longLocal.get();

}

public String getString() {

return stringLocal.get();

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

final Test test = new Test();

test.set();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

Thread thread1 = new Thread(){

public void run() {

test.set();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

};

};

thread1.start();

thread1.join();

System.out.println(test.getLong());

System.out.println(test.getString());

}

}

就可以直接不用先set而直接调用get了。

三.ThreadLocal的应用场景

最常见的ThreadLocal使用场景为 用来解决 数据库连接、Session管理等。

如:

private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder

= new ThreadLocal<Connection>() {

public Connection initialValue() {

return DriverManager.getConnection(DB_URL);

}

};

public static Connection getConnection() {

return connectionHolder.get();

}

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;

}

参考资料:

《深入理解Java虚拟机》

《Java编程思想》

原文 

http://www.iigrowing.cn/shen_ru_pou_xi_threadlocal.html

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