Java并發(fā)編程：深入剖析ThreadLocal
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一.對ThreadLocal的理解
ThreadLocal，很多地方叫做線程本地變量，也有些地方叫做線程本地存儲(chǔ)，其實(shí)意思差不多?？赡芎芏嗯笥讯贾繲hreadLocal為變量在每個(gè)線程中都創(chuàng)建了一個(gè)副本，那么每個(gè)線程可以訪問自己內(nèi)部的副本變量。
這句話從字面上看起來很容易理解，但是真正理解并不是那么容易。
我們還是先來看一個(gè)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();
????}
}
`
假設(shè)有這樣一個(gè)數(shù)據(jù)庫鏈接管理類，這段代碼在單線程中使用是沒有任何問題的，但是如果在多線程中使用呢？很顯然，在多線程中使用會(huì)存在線程安全問題：第一，這里面的2個(gè)方法都沒有進(jìn)行同步，很可能在openConnection方法中會(huì)多次創(chuàng)建connect；第二，由于connect是共享變量，那么必然在調(diào)用connect的地方需要使用到同步來保障線程安全，因?yàn)楹芸赡芤粋€(gè)線程在使用connect進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作，而另外一個(gè)線程調(diào)用closeConnection關(guān)閉鏈接。
??所以出于線程安全的考慮，必須將這段代碼的兩個(gè)方法進(jìn)行同步處理，并且在調(diào)用connect的地方需要進(jìn)行同步處理。
??這樣將會(huì)大大影響程序執(zhí)行效率，因?yàn)橐粋€(gè)線程在使用connect進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作的時(shí)候，其他線程只有等待。
??那么大家來仔細(xì)分析一下這個(gè)問題，這地方到底需不需要將connect變量進(jìn)行共享？事實(shí)上，是不需要的。假如每個(gè)線程中都有一個(gè)connect變量，各個(gè)線程之間對connect變量的訪問實(shí)際上是沒有依賴關(guān)系的，即一個(gè)線程不需要關(guān)心其他線程是否對這個(gè)connect進(jìn)行了修改的。
??到這里，可能會(huì)有朋友想到，既然不需要在線程之間共享這個(gè)變量，可以直接這樣處理，在每個(gè)需要使用數(shù)據(jù)庫連接的方法中具體使用時(shí)才創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫鏈接，然后在方法調(diào)用完畢再釋放這個(gè)連接。比如下面這樣：
```java
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進(jìn)行操作
?????????
????????connectionManager.closeConnection();
????}
}
這樣處理確實(shí)也沒有任何問題，由于每次都是在方法內(nèi)部創(chuàng)建的連接，那么線程之間自然不存在線程安全問題。但是這樣會(huì)有一個(gè)致命的影響：導(dǎo)致服務(wù)器壓力非常大，并且嚴(yán)重影響程序執(zhí)行性能。由于在方法中需要頻繁地開啟和關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接，這樣不盡嚴(yán)重影響程序執(zhí)行效率，還可能導(dǎo)致服務(wù)器壓力巨大。
那么這種情況下使用ThreadLocal是再適合不過的了，因?yàn)門hreadLocal在每個(gè)線程中對該變量會(huì)創(chuàng)建一個(gè)副本，即每個(gè)線程內(nèi)部都會(huì)有一個(gè)該變量，且在線程內(nèi)部任何地方都可以使用，線程之間互不影響，這樣一來就不存在線程安全問題，也不會(huì)嚴(yán)重影響程序執(zhí)行性能。
但是要注意，雖然ThreadLocal能夠解決上面說的問題，但是由于在每個(gè)線程中都創(chuàng)建了副本，所以要考慮它對資源的消耗，比如內(nèi)存的占用會(huì)比不使用ThreadLocal要大。
二.深入解析ThreadLocal類
在上面談到了對ThreadLocal的一些理解，那我們下面來看一下具體ThreadLocal是如何實(shí)現(xiàn)的。
先了解一下ThreadLocal類提供的幾個(gè)方法：
public?T?get()?{?}
public?void?set(T?value)?{?}
public?void?remove()?{?}
protected?T?initialValue()?{?}
get()方法是用來獲取ThreadLocal在當(dāng)前線程中保存的變量副本，set()用來設(shè)置當(dāng)前線程中變量的副本，remove()用來移除當(dāng)前線程中變量的副本，initialValue()是一個(gè)protected方法，一般是用來在使用時(shí)進(jìn)行重寫的，它是一個(gè)延遲加載方法，下面會(huì)詳細(xì)說明。
首先我們來看一下ThreadLocal類是如何為每個(gè)線程創(chuàng)建一個(gè)變量的副本的。
先看下get方法的實(shí)現(xiàn)：
第一句是取得當(dāng)前線程，然后通過getMap(t)方法獲取到一個(gè)map，map的類型為ThreadLocalMap。然后接著下面獲取到
如果獲取成功，則返回value值。
如果map為空，則調(diào)用setInitialValue方法返回value。
我們上面的每一句來仔細(xì)分析：
首先看一下getMap方法中做了什么：
可能大家沒有想到的是，在getMap中，是調(diào)用當(dāng)期線程t，返回當(dāng)前線程t中的一個(gè)成員變量threadLocals。
那么我們繼續(xù)取Thread類中取看一下成員變量threadLocals是什么：
實(shí)際上就是一個(gè)ThreadLocalMap，這個(gè)類型是ThreadLocal類的一個(gè)內(nèi)部類，我們繼續(xù)取看ThreadLocalMap的實(shí)現(xiàn)：
可以看到ThreadLocalMap的Entry繼承了WeakReference，并且使用ThreadLocal作為鍵值。
然后再繼續(xù)看setInitialValue方法的具體實(shí)現(xiàn)：
很容易了解，就是如果map不為空，就設(shè)置鍵值對，為空，再創(chuàng)建Map，看一下createMap的實(shí)現(xiàn)：
至此，可能大部分朋友已經(jīng)明白了ThreadLocal是如何為每個(gè)線程創(chuàng)建變量的副本的：
首先，在每個(gè)線程Thread內(nèi)部有一個(gè)ThreadLocal.ThreadLocalMap類型的成員變量threadLocals，這個(gè)threadLocals就是用來存儲(chǔ)實(shí)際的變量副本的，鍵值為當(dāng)前ThreadLocal變量，value為變量副本（即T類型的變量）。
初始時(shí)，在Thread里面，threadLocals為空，當(dāng)通過ThreadLocal變量調(diào)用get()方法或者set()方法，就會(huì)對Thread類中的threadLocals進(jìn)行初始化，并且以當(dāng)前ThreadLocal變量為鍵值，以ThreadLocal要保存的副本變量為value，存到threadLocals。
然后在當(dāng)前線程里面，如果要使用副本變量，就可以通過get方法在threadLocals里面查找。
下面通過一個(gè)例子來證明通過ThreadLocal能達(dá)到在每個(gè)線程中創(chuàng)建變量副本的效果：
public?class?Test?{
????ThreadLocal?longLocal?=?new?ThreadLocal();
????ThreadLocal?stringLocal?=?new?ThreadLocal();
?
?????
????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());
????}
}
這段代碼的輸出結(jié)果為：
從這段代碼的輸出結(jié)果可以看出，在main線程中和thread1線程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一樣。最后一次在main線程再次打印副本值是為了證明在main線程中和thread1線程中的副本值確實(shí)是不同的。
總結(jié)一下：
1）實(shí)際的通過ThreadLocal創(chuàng)建的副本是存儲(chǔ)在每個(gè)線程自己的threadLocals中的；
2）為何threadLocals的類型ThreadLocalMap的鍵值為ThreadLocal對象，因?yàn)槊總€(gè)線程中可有多個(gè)threadLocal變量，就像上面代碼中的longLocal和stringLocal；
3）在進(jìn)行g(shù)et之前，必須先set，否則會(huì)報(bào)空指針異常；
如果想在get之前不需要調(diào)用set就能正常訪問的話，必須重寫initialValue()方法。
因?yàn)樵谏厦娴拇a分析過程中，我們發(fā)現(xiàn)如果沒有先set的話，即在map中查找不到對應(yīng)的存儲(chǔ)，則會(huì)通過調(diào)用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一個(gè)語句是T value = initialValue()， 而默認(rèn)情況下，initialValue方法返回的是null。
看下面這個(gè)例子：
public?class?Test?{
????ThreadLocal?longLocal?=?new?ThreadLocal();
????ThreadLocal?stringLocal?=?new?ThreadLocal();
?
????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線程中，沒有先set，直接get的話，運(yùn)行時(shí)會(huì)報(bào)空指針異常。
但是如果改成下面這段代碼，即重寫了initialValue方法：
public?class?Test?{
????ThreadLocal?longLocal?=?new?ThreadLocal(){
????????protected?Long?initialValue()?{
????????????return?Thread.currentThread().getId();
????????};
????};
????ThreadLocal?stringLocal?=?new?ThreadLocal(){;
????????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而直接調(diào)用get了。
三.ThreadLocal的應(yīng)用場景
最常見的ThreadLocal使用場景為 用來解決 數(shù)據(jù)庫連接、Session管理等。
如：
private?static?ThreadLocal?connectionHolder
=?new?ThreadLocal()?{
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;
}
??? ?
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