浅谈ThreadLocal原理

原创
2018/11/15 14:49
阅读数 5.4W

前言:

经过一宿的面壁思过,下文写的对ThreadLocal的源码分析,过于枯燥乏味,现在简单的总结一下ThreadLocal,提高一下做人的level。

ThreadLocal的作用就是:线程安全。

ThreadLocal的本质就是一个内部的静态的map,key是当前线程的句柄,value是需要保持的值。

由于是内部静态map,不提供遍历和查询的接口,每个线程只能获取自己线程的value。

这样,就线程安全了,又提供了数据共享的能力,perfect。

 

一、对ThreadLocal的理解

1、ThreadLocal是线程本地存储,在每个线程中都创建了一个ThreadLocalMap对象,每个线程可以访问自己内部ThreadLocalMap对象内的value。

2、代码实例

package OSChina.Thread;

public 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();
    }
}

假设有这样一个数据链接管理类,这段代码在单线程中使用没有任何问题,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:

① 这里面的两个方法都没有进行同步,很可能在openConnection方法中会多次创建connect

② 由于connect是共享变量,那么在调用connect的地方需要使用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进行数据库操作时,其它线程只能等待。

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:

package OSChina.Thread;

public 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进行操作
        connectionManager.closeConnection();
    }
}

这样处理确实没什么问题,由于每次都在方法内创建新的连接,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:由于方法中需要频繁的开启和关闭数据库链接,这样不仅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就再合适不过了,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,而且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,但是由于每个线程都创建副本,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:

public T get() { }  
public void set(T value) { }  
public void remove() { }  
protected T initialValue() { }  

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。

首先我们先来看一下ThreadLocal类时如何为每个线程创建一个变量的副本的。

先看一下get方法的源码:

    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 setInitiaValue();
    }

第一句是取得当前线程,然后通过getMap(t)方法获取一个map,map的类型为ThreadLocalMap。然后接着下面获取到<key,value>键值对,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。

ThreadLocalMap getMap(Thread t){
    return t.threadLocals;
}

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:

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

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:

package OSChina.Thread;

import java.lang.ref.WeakReference;

public class ThreadLocalMap {
    static  class Entry extends WeakReference<ThreadLocal>{
        Object value;
        Entry(ThreadLocal k,Object v){
            super(k);
            value = v;
        }
    }
}

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:

    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;
    }

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:

void createMap(Thread t,T firstValue){
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this,firstValue);
}

 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:

package OSChina.Thread;

public class Test {
    ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();
    ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();

    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());
    }
}

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。

三、ThreadLocal的应用场景

数据库连接

package OSChina.Thread;

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;

public class ThreadDao {
    private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>();
    public Connection initialValue(){
        return DriverManager.getConnection(DB_URL);
    }
    
    public static Connection getConnection(){
        return connectionHolder.get();
    }
}

session管理:

package OSChina.Thread;

import javax.websocket.Session;

public class ThreadDao {
    private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();
    public static Session getSession() throws Exception{
        Session session = (Session)threadSession.get();
        if(session==null){
            session = getSessionFactory().openSession();
            threadSession.set(session);
        }
        return session;
    }
}

 

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