深入理解ThreadLocal

原创
2013/08/02 10:38
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学习一个东西首先要知道为什么要引入它,就是我们能用它来干什么。所以我们先来看看ThreadLocal对我们到底有什么用,然后再来看看它的实现原理。

ThreadLocal如果单纯从名字上来看像是“本地线程"这么个意思,只能说这个名字起的确实不太好,很容易让人产生误解,ThreadLocalVariable(线程本地变量)应该是个更好的名字。我们先看一下官方对ThreadLocal的描述:

该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物,因为访问某个变量(通过其 get 或 set 方法)的每个线程都有自己的局部变量,它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal 实例通常是类中的 private static 字段,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。
我们从中摘出要点:


1、每个线程都有自己的局部变量

    每个线程都有一个独立于其他线程的上下文来保存这个变量,一个线程的本地变量对其他线程是不可见的(有前提,后面解释)

2、独立于变量的初始化副本

    ThreadLocal可以给一个初始值,而每个线程都会获得这个初始化值的一个副本,这样才能保证不同的线程都有一份拷贝。

3、状态与某一个线程相关联

    ThreadLocal 不是用于解决共享变量的问题的,不是为了协调线程同步而存在,而是为了方便每个线程处理自己的状态而引入的一个机制,理解这点对正确使用ThreadLocal至关重要。

我们先看一个简单的例子:

public class ThreadLocalTest {
        
        //创建一个Integer型的线程本地变量
	public static final ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<Integer>() {
		@Override
		protected Integer initialValue() {
			return 0;
		}
	};
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Thread[] threads = new Thread[5];
		for (int j = 0; j < 5; j++) {		
               threads[j] = new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
                                        //获取当前线程的本地变量,然后累加5次
					int num = local.get();
					for (int i = 0; i < 5; i++) {
						num++;
					}
                                        //重新设置累加后的本地变量
					local.set(num);
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : "+ local.get());

				}
			}, "Thread-" + j);
		}

		for (Thread thread : threads) {
			thread.start();
		}
	}
}
运行后结果:

Thread-0 : 5
Thread-4 : 5
Thread-2 : 5
Thread-1 : 5
Thread-3 : 5

我们看到,每个线程累加后的结果都是5,各个线程处理自己的本地变量值,线程之间互不影响。

我们再来看一个例子:

public class ThreadLocalTest {
	private static Index num = new Index();
        //创建一个Index类型的本地变量 
	private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
		@Override
		protected Index initialValue() {
			return num;
		}
	};

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Thread[] threads = new Thread[5];
		for (int j = 0; j < 5; j++) {
			threads[j] = new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
                                        //取出当前线程的本地变量,并累加1000次
					Index index = local.get();
					for (int i = 0; i < 1000; i++) {                                          
						index.increase();
					}
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : "+ index.num);

				}
			}, "Thread-" + j);
		}
		for (Thread thread : threads) {
			thread.start();
		}
	}

	static class Index {
		int num;

		public void increase() {
			num++;
		}
	}
}
执行后我们发现结果如下(每次运行还都不一样):


Thread-0 : 1390
Thread-2 : 2390
Thread-4 : 4390
Thread-3 : 3491
Thread-1 : 1390

这次为什么线程本地变量又失效了呢?大家可以仔细观察上面代码自己先找一下原因。

-----------------------------------------------低调的分割线-------------------------------------------

让我们再来回味一下 “ThreadLocal可以给一个初始值,而每个线程都会获得这个初始化值的一个副本” 这句话。“初始值的副本。。。”,貌似想起点什么。我们再来看一下上面代码中定义ThreadLocal的地方


private static Index num = new Index();
	private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
		@Override
		protected Index initialValue() {
			return num;       // 注意这里,返回的是已经定义好的对象num,而不是new Index()
		}
	};


 上面代码中,我们通过覆盖initialValue函数来给我们的ThreadLocal提供初始值,每个线程都会获取这个初始值的一个副本。而现在我们的初始值是一个定义好的一个对象,num是这个对象的引用.换句话说我们的初始值是一个引用。引用的副本和引用指向的不就是同一个对象吗?

如果我们想给每一个线程都保存一个Index对象应该怎么办呢?那就是创建对象的副本而不是对象引用的副本:

private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
		@Override
		protected Index initialValue() {
			return new Index(); //注意这里
		}
	};

对象的拷贝图示:

 

现在我们应该能明白ThreadLocal本地变量的含义了吧。接下来我们就来看看ThreadLocal的源码,从内部来揭示它的神秘面纱。

ThreadLocal有一个内部类ThreadLocalMap,这个类的实现占了整个ThreadLocal类源码的一多半。这个ThreadLocalMap的作用非常关键,它就是线程真正保存线程自己本地变量的容器。每一个线程都有自己的单独的一个ThreadLocalMap实例,其所有的本地变量都会保存到这一个map中。现在就让我们从ThreadLocal的get和set这两个最常用的方法开始分析:

public T get() {
        //获取当前执行线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //取得当前线程的ThreadLocalMap实例
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //如果map不为空,说明该线程已经有了一个ThreadLocalMap实例
        if (map != null) {
            //map中保存线程的所有的线程本地变量,我们要去查找当前线程本地变量
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            //如果当前线程本地变量存在这个map中,则返回其对应的值
            if (e != null)
                return (T)e.value;
        }
        //如果map不存在或者map中不存在当前线程本地变量,返回初始值
        return setInitialValue();
    }

强调一下:Thread对象都有一个ThreadLocalMap类型的属性threadLocals,这个属性是专门用于保存自己所有的线程本地变量的。这个属性在线程对象初始化的时候为null。所以对一个线程对象第一次使用线程本地变量的时候,需要对这个threadLocals属性进行初始化操作。注意要区别 “线程第一次使用本地线程变量”和“第一次使用某一个线程本地线程变量”。

getMap方法:

//直接返回线程对象的threadLocals属性
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }


setInitialValue方法:(看完后再回顾一下之前的那个例子)

private T setInitialValue() {
        //获取初始化值,initialValue 就是我们之前覆盖的方法
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //如果map不为空,将初始化值放入到当前线程的ThreadLocalMap对象中
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            //当前线程第一次使用本地线程变量,需要对map进行初始化工作
            createMap(t, value);
        //返回初始化值
        return value;
    }


我们再来看一下set方法

public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);

        if (map != null)
            map.set(this, value);
        //说明线程第一次使用线程本地变量(注意这里的第一次含义)
        else
            createMap(t, value);
    }


ThradLocal还有一个remove方法,让我们来分析一下:

public void remove() {
         //获取当前线程的ThreadLocalMap对象
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         //如果map不为空,则删除该本地变量的值
         if (m != null)
             m.remove(this);
     }

到这里大家应该对ThreadLocal变量比较清晰了,至于ThradLocalMap的实现细节这里就不在说了。大家有兴趣可以自己去看ThreadLocal的源码。


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