Java多线程与并发之ThreadLocal



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ThreadLocal

1. ThreadLocal是什么?使用场景

ThreadLocal简介

ThreadLocal是线程本地变量,可以为多线程的并发问题提供一种解决方式,当使用ThreadLocal维护变量时,ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本,所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其它线程所对应的副本。

ThreadLocal使用场景

多个线程去获取一个共享变量时,要求获取的是这个变量的初始值的副本。每个线程存储这个变量的副本,对这个变量副本的改变不去影响变量本身。适用于多个线程依赖不同变量值完成操作的场景。比如:

2. ThreadLocal的使用案例

ThreadLocal类接口:

  • void set(T value):设置当前线程的线程局部变量的值

  • T get():获取当前线程所对应的线程局部变量

  • void remove():删除当前线程局部变量的值,目的是为了减少内存的占用

  • T initialValue():该线程局部变量的初始值(默认值为null),该方法是一个protected的懒加载方法,线程第1次调用get()或set(T value)时才执行在,而且也是为了让子类覆盖而设计的。

public class ThreadLocalDemo {

private static ThreadLocal<Index> index = new ThreadLocal(){

@Override

protected Object initialValue() {

return new Index();

}

};


private static class Index{

private int num;


public void incr(){

num++;

}

}


public static void main(String[] args) {

for(int i=0; i<5; i++){

new Thread(() ->{

Index local = index.get();

local.incr();

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + index.get().num);

}, "thread_" + i).start();

}

}

}

输出结果:

thread_1 1
thread_0 1
thread_3 1
thread_4 1
thread_2 1

可以看到每个线程的获取的初始值都是0,并且对num++的操作也互不影响

3.ThreadLocal如何实现的

3.1 ThreadLocal的数据结构

ThreadLocal内部维护的是一个类似Map的ThreadLocalMap数据结构,而每个Thread类,都有一个ThreadLocalMap成员变量。ThreadLocalMap将线程本地变量(ThreadLocal)作为key,线程变量的副本作为value,如图所示:


Java多线程与并发之ThreadLocal

需要注意的是ThreadLocal中的Entry的key和value的关系有系统进行维护,若维护不当则可能导致多线程状态下的不安全(一般不会,至少需要注意)。

3.2 get()源码分析

public T get() {

//获取当前线程

Thread t = Thread.currentThread();

//获取当前线程的ThreadLocalMap

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null) {

//如果ThreadLocalMap已经被创建了,那么通过当前的threadLocal对象作为key,获取value

ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);

if (e != null) {

@SuppressWarnings("unchecked")

T result = (T)e.value;

return result;

}

}

//如果ThreadLocalMap还没有被创建或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素

return setInitialValue();

}

3.2.1 ThreadLocalMap没初始化

ThreadLocalMap没初始化,ThreadLocalMap为null时,会调用setInitialValue()方法:

private T setInitialValue() {

//initialValue方法一般会被重写,不重写的话,直接返回null

T value = initialValue();

Thread t = Thread.currentThread();

//获取当前线程的ThreadLocalMap

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)

//ThreadLocalMap已经被创建,那么直接设置初始值(即保存变量副本),初始值来自initialValue方法

map.set(this, value);

else

//创建ThreadLocalMap

createMap(t, value);

return value;

}

其中,initialValue()方法是由我们重写的,需要注意的是,返回值必须为new一个对象,而不是直接返回一个对象引用。因为如果多个线程都保存同一个引用的副本的话,那他们通过这个引用修改共享变量的值,是相互影响的。我们本来的目的便是为了获取共享变量的初始值副本,各个线程对副本的修改不影响变量本身。

再来看看createMap是如何创建threadLocalMap的

void createMap(Thread t, T firstValue) {

t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);

}

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {

//创建一个初始容量为16的Entry数组

table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];

//通过threadLocal的threadLocalHashCode来定位在数组中的位置

int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);

//保存在数组中

table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);

//记录下已用的大小

size = 1;

//设置阈值为容量的2/3

setThreshold(INITIAL_CAPACITY);

}

3.2.2 初始化threadLocalMap

初始化threadLocalMap之后,此线程再次调用get()方法,又做了哪些操作呢

public T get() {

//获取当前线程

Thread t = Thread.currentThread();

//获取当前线程的ThreadLocalMap

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null) {

//如果ThreadLocalMap已经被创建了,那么通过当前的threadLocal对象作为key,获取value

ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);

if (e != null) {

@SuppressWarnings("unchecked")

T result = (T)e.value;

return result;

}

}

//如果ThreadLocalMap还没有被创建或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素

return setInitialValue();

}

可以看到是通过map.getEntry(this)去查找元素的

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {

int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);

Entry e = table[i];

if (e != null && e.get() == key)

return e;

else

//如果定位的元素的key与传入的key不相等,那么一直往后找

return getEntryAfterMiss(key, i, e);

}

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {

Entry[] tab = table;

int len = tab.length;


while (e != null) {

ThreadLocal<?> k = e.get();

if (k == key)

return e;

if (k == null)

//将过期的key清除掉,并把后面的元素(移动过位置的)往前移

expungeStaleEntry(i);

else

//往后移一位

i = nextIndex(i, len);

e = tab[i];

}

return null;

}

private static int nextIndex(int i, int len) {

return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);

}

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {

Entry[] tab = table;

int len = tab.length;


// 清除当前元素

tab[staleSlot].value = null;

tab[staleSlot] = null;

size--;


//将此元素后面的,因为hash冲突移动过位置的元素往前移

Entry e;

int i;

for (i = nextIndex(staleSlot, len);

(e = tab[i]) != null;

i = nextIndex(i, len)) {

ThreadLocal<?> k = e.get();

if (k == null) {

e.value = null;

tab[i] = null;

size--;

} else {

int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);

//h != i说明有过hash冲突

if (h != i) {

tab[i] = null;


// Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until

// null because multiple entries could have been stale.

while (tab[h] != null)

h = nextIndex(h, len);

tab[h] = e;

}

}

}

return i;

}

 如果map.getEntry(this)也找不到元素怎么办?

public T get() {

//获取当前线程

Thread t = Thread.currentThread();

//获取当前线程的ThreadLocalMap

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null) {

//如果ThreadLocalMap已经被创建了,那么通过当前的threadLocal对象作为key,获取value

ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);

if (e != null) {

@SuppressWarnings("unchecked")

T result = (T)e.value;

return result;

}

}

//如果ThreadLocalMap还没有被创建或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素

return setInitialValue();

}

那么继续调用setInitialValue()方法
 

private T setInitialValue() {

//initialValue方法一般会被重写,不重写的话,直接返回null

T value = initialValue();

Thread t = Thread.currentThread();

//获取当前线程的ThreadLocalMap

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)

//ThreadLocalMap已经被创建,那么直接设置初始值(即保存变量副本),初始值来自initialValue方法

map.set(this, value);

else

//创建ThreadLocalMap

createMap(t, value);

return value;

}

可以看到将会调用它里面的map.set(this, value)方法

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

Entry[] tab = table;

int len = tab.length;

int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);


for (Entry e = tab[i];

e != null;

e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {

ThreadLocal<?> k = e.get();


if (k == key) {

e.value = value;

return;

}


if (k == null) {

//替代过期的元素,并清除后面的一些过期元素

replaceStaleEntry(key, value, i);

return;

}

}


//如果在table中确实找不到,那么新建一个

tab[i] = new Entry(key, value);

int sz = ++size;

if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)

//如果没有元素被清除,且超过阈值,那么扩容并重新hash定位

rehash();

}

3.3 set()源码分析

在看看set()方式处理与setInitialValue类似,少了获取初始化值,其他都相同,可参考get()方式中
ThreadLocalMap没初始化方式
:

public void set(T value) {

//获取当前线程

Thread t = Thread.currentThread();

//获取当前线程的ThreadLocalMap

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)

map.set(this, value);

else

createMap(t, value);

}

3.4 总结

  • 首先判断当前线程的threadLocalMap是否存在,若不存在则创建一个。将ThreadLocal作为key,共享变量初始值的副本作为value,保存在threadLocalMap中

  • 若threadLocalMap存在,那么将ThreadLocal作为key,通过hash散列定位在数组中的位置,查找value

  • 如果在threadLocalMap中找不到(原因:被删除了,或者此ThreaLocal没有加入到threadLocalMap,毕竟threadLocalMap可以存放多个threadLocal),那么将ThreadLocal作为key,共享变量初始值的副本作为value,保存在threadLocalMap中

  • 在set的过程中,如果当前位置有其他元素(即hash冲突),那么往后找,直到不存在其他元素。并且在set的过程中会清除一些过期(key为null)的元素。最后将根据size大小,决定是否扩容,重新hash定位。

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原文 

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