Java之美[从菜鸟到高手演练]之ThreadLocal原理分析

简介

早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal,ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。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。从线程的角度看,目标变量就象是线程的本地变量,这也是类名中“Local”所要表达的意思。所以,在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些,因此造成线程局部变量没有在Java开发者中得到很好的普及。引自@枫之逆 人们常说,锁是一种以时间换空间的机制,而ThreadLocal正好是以空间换时间的。

和锁的比较

为什么要先强调这一点,因为从简介上看,容易使人们联想到ThreadLocal似乎是一种解决Java多线程环境中线程同步与线程安全方法,其实不然,这里要设计到两个概念:线程安全,线程同步,事实上,ThreadLocal只解决线程安全的问题,并不能解决线程同步的问题,这也造成在刚学习的时候,我总是在苦想,ThreadLocal既然为每个线程拷贝一份变量,那怎么再进行同步呢?查了很多资料后才想明白,ThreadLocal并不是用来解决线程同步的,所以它与锁可以说是没有什么关系的,彼此各有所长,不能代替。有人这样描述:ThreadLocal解决的是同一个线程内的资源共享问题,而synchronized 解决的是多个线程间的资源共享问题,我觉得是有道理的!推荐读者看一下讨论贴,是关于synchronized关键字和ThreadLocal的,有兴趣的可以看一下,去讨论帖

以下是转载自@枫之逆的博文:

ThreadLocal类接口很简单,只有4个方法,我们先来了解一下:

  • void set(T value)设置当前线程的线程局部变量的值。
  • public T get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
  • public void remove()将当前线程局部变量的值删除,目的是为了减少内存的占用,该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是,当线程结束后,对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收,所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作,但它可以加快内存回收的速度。
  • protected T initialValue()返回该线程局部变量的初始值,该方法是一个protected的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法,在线程第1次调用get()或set(T value)时才执行,并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

值得一提的是,在JDK5.0中,ThreadLocal已经支持泛型,该类的类名已经变为ThreadLocal。API方法也相应进行了调整,新版本的API方法分别是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢?其实实现的思路很简单:在ThreadLocal类中有一个Map,用于存储每一个线程的变量副本,Map中元素的键为线程对象,而值对应线程的变量副本。我们自己就可以提供一个简单的实现版本:

package com.test;
 
public class TestNum {
	// ①通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法,指定初始值
	private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {
		public Integer initialValue() {
			return 0;
		}
	};
 
	// ②获取下一个序列值
	public int getNextNum() {
		seqNum.set(seqNum.get() + 1);
		return seqNum.get();
	}
 
	public static void main(String[] args) {
		TestNum sn = new TestNum();
		// ③ 3个线程共享sn,各自产生序列号
		TestClient t1 = new TestClient(sn);
		TestClient t2 = new TestClient(sn);
		TestClient t3 = new TestClient(sn);
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
 
	private static class TestClient extends Thread {
		private TestNum sn;
 
		public TestClient(TestNum sn) {
			this.sn = sn;
		}
 
		public void run() {
			for (int i = 0; i < 3; i++) {
				// ④每个线程打出3个序列值
				System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> sn["
						 + sn.getNextNum() + "]");
			}
		}
	}
}

通常我们通过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类,提供初始的变量值,如例子中①处所示。TestClient线程产生一组序列号,在③处,我们生成3个TestClient,它们共享同一个TestNum实例。运行以上代码,在控制台上输出以下的结果:

thread[Thread-0] --> sn[1]
thread[Thread-1] --> sn[1]
thread[Thread-2] --> sn[1]
thread[Thread-1] --> sn[2]
thread[Thread-0] --> sn[2]
thread[Thread-1] --> sn[3]
thread[Thread-2] --> sn[2]
thread[Thread-0] --> sn[3]
thread[Thread-2] --> sn[3]

考察输出的结果信息,我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个TestNum实例,但它们并没有发生相互干扰的情况,而是各自产生独立的序列号,这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。

Thread同步机制的比较

ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢?ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。在同步机制中,通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的,使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写,什么时候需要锁定某个对象,什么时候释放对象锁等繁杂的问题,程序设计和编写难度相对较大。而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本,从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象,在编写多线程代码时,可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象,低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象,需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题,在一定程度地简化ThreadLocal的使用,代码清单 9 2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal版本。

概括起来说,对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题我们知道在一般情况下,只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享,在Spring中,绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean(如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等)中非线程安全状态采用ThreadLocal进行处理,让它们也成为线程安全的状态,因为有状态的Bean就可以在多线程中共享了。一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次,在不同的层中编写对应的逻辑,下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下,从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程,如下图所示:

同一线程贯通三层这样你就可以根据需要,将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放,在同一次请求响应的调用线程中,所有关联的对象引用到的都是同一个变量。下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路:代码清单3 TestDao:非线程安全

package com.test;
 
import java.sql.Connection;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Statement;
 
public class TestDao {
	private Connection conn;// ①一个非线程安全的变量
 
	public void addTopic() throws SQLException {
		Statement stat = conn.createStatement();// ②引用非线程安全变量
		// …
	}
}

由于①处的conn是成员变量,因为addTopic()方法是非线程安全的,必须在使用时创建一个新TopicDao实例(非singleton)。下面使用ThreadLocal对conn这个非线程安全的“状态”进行改造:代码清单4 TestDao:线程安全

package com.test;
 
import java.sql.Connection;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Statement;
 
public class TestDaoNew {
	// ①使用ThreadLocal保存Connection变量
	private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();
 
	public static Connection getConnection() {
		// ②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection,
		// 并将其保存到线程本地变量中。
		if (connThreadLocal.get() == null) {
			Connection conn = getConnection();
			connThreadLocal.set(conn);
			return conn;
		} else {
			return connThreadLocal.get();// ③直接返回线程本地变量
		}
	}
 
	public void addTopic() throws SQLException {
		// ④从ThreadLocal中获取线程对应的Connection
		Statement stat = getConnection().createStatement();
	}
}

不同的线程在使用TopicDao时,先判断connThreadLocal.get()是否是null,如果是null,则说明当前线程还没有对应的Connection对象,这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中;如果不为null,则说明当前的线程已经拥有了Connection对象,直接使用就可以了。这样,就保证了不同的线程使用线程相关的Connection,而不会使用其它线程的Connection。因此,这个TopicDao就可以做到singleton共享了。当然,这个例子本身很粗糙,将Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题,但无法和其它DAO共用同一个Connection,要做到同一事务多DAO共享同一Connection,必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。ConnectionManager.java

package com.test;
 
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;
 
public class ConnectionManager {
 
	private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
		@Override
		protected Connection initialValue() {
			Connection conn = null;
			try {
				conn = DriverManager.getConnection(
						"jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username",
						"password");
			} catch (SQLException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			return conn;
		}
	};
 
	public static Connection getConnection() {
		return connectionHolder.get();
	}
 
	public static void setConnection(Connection conn) {
		connectionHolder.set(conn);
	}
}

ThreadLocal

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:

    /**
     * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
     * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
     * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
     * method to set the values of thread-locals.
     *
     * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
     *        this thread-local.
     */
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

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:

    /**
     * Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
     * InheritableThreadLocal.
     *
     * @param  t the current thread
     * @return the map
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }
 
    /**
     * Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
     * InheritableThreadLocal.
     *
     * @param t the current thread
     * @param firstValue value for the initial entry of the map
     * @param map the map to store.
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

接下来再看一下ThreadLocal类中的get()方法:

    /**
     * Returns the value in the current thread's copy of this
     * thread-local variable.  If the variable has no value for the
     * current thread, it is first initialized to the value returned
     * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
     *
     * @return the current thread's value of this thread-local
     */
    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null)
                return (T)e.value;
        }
        return setInitialValue();
    }

再来看setInitialValue()方法:

 /**
     * Variant of set() to establish initialValue. Used instead
     * of set() in case user has overridden the set() method.
     *
     * @return the initial value
     */
    private T setInitialValue() {
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }

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  • qq_43638135
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