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Java并发编程:深入剖析ThreadLocal

2019-06-12 16:00 java那些事


想必很多朋友对ThreadLocal并不陌生,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:



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:



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:



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 

 


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:

  

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:


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: 

 

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:


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:


  

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:


这段代码的输出结果为:

  

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。

  

看下面这个例子:



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:



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:


下面这段代码摘自:

  http://www.iteye.com/topic/103804



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