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threadlocal原理及常用應用場景

阿新 • • 發佈：2019-02-06
想必很多朋友對ThreadLocal並不陌生，今天我們就來一起探討下ThreadLocal的使用方法和實現原理。首先，本文先談一下對ThreadLocal的理解，然後根據ThreadLocal類的原始碼分析了其實現原理和使用需要注意的地方，最後給出了兩個應用場景。

一.對ThreadLocal的理解

        ThreadLocal，很多地方叫做執行緒本地變數，也有些地方叫做執行緒本地儲存，其實意思差不多。可能很多朋友都知道ThreadLocal為變數在每個執行緒中都建立了一個副本，那麼每個執行緒可以訪問自己內部的副本變數。

        這句話從字面上看起來很容易理解，但是真正理解並不是那麼容易。

        我們還是先來看一個例子：

Java程式碼  收藏程式碼
  1. class ConnectionManager {  
  2.  privatestatic Connection connect = null;  
  3.  publicstatic Connection openConnection() {  
  4.  if(connect == null){  
  5.  connect = DriverManager.getConnection();  
  6.  }  
  7.  return connect;  
  8.  }  
  9.  publicstaticvoid closeConnection() {  
  10.  if(connect!=null)  
  11.  connect.close();  
  12.  }  
  13. }  

        假設有這樣一個數據庫連結管理類，這段程式碼在單執行緒中使用是沒有任何問題的，但是如果在多執行緒中使用呢？很顯然，在多執行緒中使用會存線上程安全問題：第一，這裡面的2個方法都沒有進行同步，很可能在openConnection方法中會多次建立connect；第二，由於connect是共享變數，那麼必然在呼叫connect的地方需要使用到同步來保障執行緒安全，因為很可能一個執行緒在使用connect進行資料庫操作，而另外一個執行緒呼叫closeConnection關閉連結。

        所以出於執行緒安全的考慮，必須將這段程式碼的兩個方法進行同步處理，並且在呼叫connect的地方需要進行同步處理。

        這樣將會大大影響程式執行效率，因為一個執行緒在使用connect進行資料庫操作的時候，其他執行緒只有等待。

        那麼大家來仔細分析一下這個問題，這地方到底需不需要將connect變數進行共享？事實上，是不需要的。假如每個執行緒中都有一個connect變數，各個執行緒之間對connect變數的訪問實際上是沒有依賴關係的，即一個執行緒不需要關心其他執行緒是否對這個connect進行了修改的。

        到這裡，可能會有朋友想到，既然不需要線上程之間共享這個變數，可以直接這樣處理，在每個需要使用資料庫連線的方法中具體使用時才建立資料庫連結，然後在方法呼叫完畢再釋放這個連線。比如下面這樣：

Java程式碼  收藏程式碼
  1. class ConnectionManager {  
  2.  private Connection connect = null;  
  3.  public Connection openConnection() {  
  4.  if(connect == null){  
  5.  connect = DriverManager.getConnection();  
  6.  }  
  7.  return connect;  
  8.  }  
  9.  publicvoid closeConnection() {  
  10.  if(connect!=null)  
  11.  connect.close();  
  12.  }  
  13. }  
  14. class Dao{  
  15.  publicvoid insert() {  
  16.  ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();  
  17.  Connection connection = connectionManager.openConnection();  
  18.  //使用connection進行操作
  19.  connectionManager.closeConnection();  
  20.  }  
  21. }  

        這樣處理確實也沒有任何問題，由於每次都是在方法內部建立的連線，那麼執行緒之間自然不存線上程安全問題。但是這樣會有一個致命的影響：導致伺服器壓力非常大，並且嚴重影響程式執行效能。由於在方法中需要頻繁地開啟和關閉資料庫連線，這樣不僅嚴重影響程式執行效率，還可能導致伺服器壓力巨大。

        那麼這種情況下使用ThreadLocal是再適合不過的了，因為ThreadLocal在每個執行緒中對該變數會建立一個副本，即每個執行緒內部都會有一個該變數，且線上程內部任何地方都可以使用，執行緒之間互不影響，這樣一來就不存線上程安全問題，也不會嚴重影響程式執行效能。

        但是要注意，雖然ThreadLocal能夠解決上面說的問題，但是由於在每個執行緒中都建立了副本，所以要考慮它對資源的消耗，比如記憶體的佔用會比不使用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是如何實現的。

        先了解一下ThreadLocal類提供的幾個方法：

Java程式碼  收藏程式碼
  1. public T get() { }  
  2. publicvoid set(T value) { }  
  3. publicvoid remove() { }  
  4. protected T initialValue() { }  

        get()方法是用來獲取ThreadLocal在當前執行緒中儲存的變數副本，set()用來設定當前執行緒中變數的副本，remove()用來移除當前執行緒中變數的副本，initialValue()是一個protected方法，一般是用來在使用時進行重寫的，它是一個延遲載入方法，下面會詳細說明。

        首先我們來看一下ThreadLocal類是如何為每個執行緒建立一個變數的副本的。

        先看下get方法的實現：


        第一句是取得當前執行緒，然後通過getMap(t)方法獲取到一個map，map的型別為ThreadLocalMap。然後接著下面獲取到<key,value>鍵值對，注意這裡獲取鍵值對傳進去的是 this，而不是當前執行緒t。

        如果獲取成功，則返回value值。

        如果map為空，則呼叫setInitialValue方法返回value。

        我們上面的每一句來仔細分析：

        首先看一下getMap方法中做了什麼：


        可能大家沒有想到的是，在getMap中，是呼叫當期執行緒t，返回當前執行緒t中的一個成員變數threadLocals。

        那麼我們繼續取Thread類中取看一下成員變數threadLocals是什麼：


        實際上就是一個ThreadLocalMap，這個型別是ThreadLocal類的一個內部類，我們繼續取看ThreadLocalMap的實現：


        可以看到ThreadLocalMap的Entry繼承了WeakReference，並且使用ThreadLocal作為鍵值。

        然後再繼續看setInitialValue方法的具體實現：


        很容易瞭解，就是如果map不為空，就設定鍵值對，為空，再建立Map，看一下createMap的實現：


        至此，可能大部分朋友已經明白了ThreadLocal是如何為每個執行緒建立變數的副本的：

        首先，在每個執行緒Thread內部有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap型別的成員變數threadLocals，這個threadLocals就是用來儲存實際的變數副本的，鍵值為當前ThreadLocal變數，value為變數副本（即T型別的變數）。

        初始時，在Thread裡面，threadLocals為空，當通過ThreadLocal變數呼叫get()方法或者set()方法，就會對Thread類中的threadLocals進行初始化，並且以當前ThreadLocal變數為鍵值，以ThreadLocal要儲存的副本變數為value，存到threadLocals。

        然後在當前執行緒裡面，如果要使用副本變數，就可以通過get方法在threadLocals裡面查詢。

        下面通過一個例子來證明通過ThreadLocal能達到在每個執行緒中建立變數副本的效果：

Java程式碼  收藏程式碼
  1. package com.bijian.study;  
  2. publicclass Test {  
  3.     ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();  
  4.     ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();  
  5.     publicvoid set() {  
  6.         longLocal.set(Thread.currentThread().getId());  
  7.         stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());  
  8.     }  
  9.     publiclong getLong() {  
  10.         return longLocal.get();  
  11.     }  
  12.     public String getString() {  
  13.         return stringLocal.get();  
  14.     }  
  15.     publicstaticvoid main(String[] args) throws InterruptedException {  
  16.         final Test test = new Test();  
  17.         test.set();  
  18.         System.out.println(test.getLong());  
  19.         System.out.println(test.getString());  
  20.         Thread thread1 = new Thread() {  
  21.             publicvoid run() {  
  22.                 test.set();  
  23.                 System.out.println(test.getLong());  
  24.                 System.out.println(test.getString());  
  25.             };  
  26.         };  
  27.         thread1.start();  
  28.         thread1.join();  
  29.         System.out.println(test.getLong());  
  30.         System.out.println(test.getString());  
  31.     }  
  32. }  

執行結果：

Text程式碼  收藏程式碼
  1. 1
  2. main  
  3. 11
  4. Thread-0
  5. 1
  6. main  

        從這段程式碼的輸出結果可以看出，在main執行緒中和thread1執行緒中，longLocal儲存的副本值和stringLocal儲存的副本值都不一樣。最後一次在main執行緒再次列印副本值是為了證明在main執行緒中和thread1執行緒中的副本值確實是不同的。

        總結一下：

        1）實際的通過ThreadLocal建立的副本是儲存在每個執行緒自己的threadLocals中的；

        2）為何threadLocals的型別ThreadLocalMap的鍵值為ThreadLocal物件，因為每個執行緒中可有多個threadLocal變數，就像上面程式碼中的longLocal和stringLocal；

        3）在進行get之前，必須先set，否則會報空指標異常；

        如果想在get之前不需要呼叫set就能正常訪問的話，必須重寫initialValue()方法。

        因為在上面的程式碼分析過程中，我們發現如果沒有先set的話，即在map中查詢不到對應的儲存，則會通過呼叫setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一個語句是T value = initialValue()， 而預設情況下，initialValue方法返回的是null。


        看下面這個例子：

Java程式碼  收藏程式碼
  1. package com.bijian.study;  
  2. publicclass Test02 {  
  3.     ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();  
  4.     ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();  
  5.     publicvoid set() {  
  6.         longLocal.set(Thread.currentThread().getId());  
  7.         stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());  
  8.     }  
  9.     publiclong getLong() {  
  10.         return longLocal.get();  
  11.     }  
  12.     public String getString() {  
  13.         return stringLocal.get();  
  14.     }  
  15.     publicstaticvoid main(String[] args) throws InterruptedException {  
  16.         final Test02 test = new Test02();  
  17.         System.out.println(test.getLong());  
  18.         System.out.println(test.getString());  
  19.         Thread thread1 = new Thread() {  
  20.             publicvoid run() {  
  21.                 test.set();  
  22.                 System.out.println(test.getLong());  
  23.                 System.out.println(test.getString());  
  24.             };  
  25.         };  
  26.         thread1.start();  
  27.         thread1.join();  
  28.         System.out.println(test.getLong());  
  29.         System.out.println(test.getString());  
  30.     }  
  31. }  

執行結果：

Text程式碼  收藏程式碼
  1. Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException  
  2.     at com.bijian.study.Test02.getLong(Test02.java:14)  
  3.     at com.bijian.study.Test02.main(Test02.java:24)  

        在main執行緒中，沒有先set，直接get的話，執行時會報空指標異常。

        但是如果改成下面這段程式碼，即重寫了initialValue方法：

Java程式碼  收藏程式碼
  1. package com.bijian.study;  
  2. publicclass Test03 {  
  3.     ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>() {  
  4.         protected Long initialValue() {  
  5.             return Thread.currentThread().getId();  
  6.         };  
  7.     };  
  8.     ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>() {  
  9.         protected String initialValue() {  
  10.             return Thread.currentThread().getName();  
  11.         };  
  12.     };  
  13.     publicvoid set() {  
  14.         longLocal.set(Thread.currentThread().getId());  
  15.         stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());  
  16.     }  
  17.     publiclong getLong() {  
  18.         return longLocal.get();  
  19.     }  
  20.     public String getString() {  
  21.         return stringLocal.get();  
  22.     }  
  23.     publicstaticvoid main(String[] args) throws InterruptedException {  
  24.         final Test03 test = new Test03();  
  25.         //test.set();
  26.         System.out.println(test.getLong());  
  27.         System.out.println(test.getString());  
  28.         Thread thread1 = new Thread() {  
  29.             publicvoid run() {  
  30.                 //test.set();
  31.                 System.out.println(test.getLong());  
  32.                 System.out.println(test.getString());  
  33.             };  
  34.         };  
  35.         thread1.start();  
  36.         thread1.join();  
  37.         System.out.println(test.getLong());  
  38.         System.out.println(test.getString());  
  39.     }  
  40. }  

執行結果：

Text程式碼  收藏程式碼
  1. 1
  2. main  
  3. 8
  4. Thread-0
  5. 1
  6. main  

        就可以直接不用先set而直接呼叫get了。

三.ThreadLocal的應用場景

        最常見的ThreadLocal使用場景為 用來解決資料庫連線、Session管理等。如：

        資料庫連線：

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  1. privatestatic ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {  
  2.     public Connection initialValue() {  
  3.         return DriverManager.getConnection(DB_URL);  
  4.     }  
  5. };  
  6. publicstatic Connection getConnection() {  
  7.     return connectionHolder.get();  
  8. }  

        Session管理：

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  1. privatestaticfinal ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();  
  2. publicstatic Session getSession() throws InfrastructureException {  
  3.     Session s = (Session) threadSession.get();  
  4.     try {  
  5.         if (s == null) {  
  6.             s = getSessionFactory().openSession();  
  7.             threadSession.set(s);  
  8.         }  
  9.     } catch (HibernateException ex) {  
  10.         thrownew InfrastructureException(ex);  
  11.     }  
  12.     return s;  
  13. } 

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