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    threadlocal原理及常用应用场景

    2016年05月07日 10:09:20  阅读数：31573
     
    想必很多朋友对ThreadLocal并不陌生，今天我们就来一起探讨下ThreadLocal的使用方法和实现原理。首先，本文先谈一下对ThreadLocal的理解，然后根据ThreadLocal类的源码分析了其实现原理和使用需要注意的地方，最后给出了两个应用场景。

    一.对ThreadLocal的理解

            ThreadLocal，很多地方叫做线程本地变量，也有些地方叫做线程本地存储，其实意思差不多。可能很多朋友都知道ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，那么每个线程可以访问自己内部的副本变量。

            这句话从字面上看起来很容易理解，但是真正理解并不是那么容易。

            我们还是先来看一个例子：

    Java代码  收藏代码
    1. class ConnectionManager {  
    2.    
    3.  private static Connection connect = null;  
    4.    
    5.  public static Connection openConnection() {  
    6.  if(connect == null){  
    7.  connect = DriverManager.getConnection();  
    8.  }  
    9.  return connect;  
    10.  }  
    11.    
    12.  public static void closeConnection() {  
    13.  if(connect!=null)  
    14.  connect.close();  
    15.  }  
    16. }  

            假设有这样一个数据库链接管理类，这段代码在单线程中使用是没有任何问题的，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：第一，这里面的2个方法都没有进行同步，很可能在openConnection方法中会多次创建connect；第二，由于connect是共享变量，那么必然在调用connect的地方需要使用到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，而另外一个线程调用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进行数据库操作的时候，其他线程只有等待。

            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：

    Java代码  收藏代码
    1. class ConnectionManager {  
    2.    
    3.  private Connection connect = null;  
    4.    
    5.  public Connection openConnection() {  
    6.  if(connect == null){  
    7.  connect = DriverManager.getConnection();  
    8.  }  
    9.  return connect;  
    10.  }  
    11.    
    12.  public void closeConnection() {  
    13.  if(connect!=null)  
    14.  connect.close();  
    15.  }  
    16. }  
    17.    
    18. class Dao{  
    19.  public void insert() {  
    20.  ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();  
    21.  Connection connection = connectionManager.openConnection();  
    22.    
    23.  //使用connection进行操作  
    24.    
    25.  connectionManager.closeConnection();  
    26.  }  
    27. }  

            这样处理确实也没有任何问题，由于每次都是在方法内部创建的连接，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：导致服务器压力非常大，并且严重影响程序执行性能。由于在方法中需要频繁地开启和关闭数据库连接，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是再适合不过的了，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，且在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，也不会严重影响程序执行性能。

            但是要注意，虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题，但是由于在每个线程中都创建了副本，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：

    Java代码  收藏代码
    1. public T get() { }  
    2. public void set(T value) { }  
    3. public void remove() { }  
    4. 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。

            首先我们来看一下ThreadLocal类是如何为每个线程创建一个变量的副本的。

            先看下get方法的实现：


            第一句是取得当前线程，然后通过getMap(t)方法获取到一个map，map的类型为ThreadLocalMap。然后接着下面获取到<key,value>键值对，注意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。

            我们上面的每一句来仔细分析：

            首先看一下getMap方法中做了什么：


            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：


            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：


            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：


            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：


            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：

    Java代码  收藏代码
    1. package com.bijian.study;  
    2.   
    3. public class Test {  
    4.       
    5.     ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();  
    6.     ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();  
    7.   
    8.     public void set() {  
    9.         longLocal.set(Thread.currentThread().getId());  
    10.         stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());  
    11.     }  
    12.   
    13.     public long getLong() {  
    14.         return longLocal.get();  
    15.     }  
    16.   
    17.     public String getString() {  
    18.         return stringLocal.get();  
    19.     }  
    20.   
    21.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
    22.         final Test test = new Test();  
    23.   
    24.         test.set();  
    25.         System.out.println(test.getLong());  
    26.         System.out.println(test.getString());  
    27.   
    28.         Thread thread1 = new Thread() {  
    29.             public void 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.   
    38.         System.out.println(test.getLong());  
    39.         System.out.println(test.getString());  
    40.     }  
    41. }  

    运行结果：

    Text代码  收藏代码
    1. 1  
    2. main  
    3. 11  
    4. Thread-0  
    5. 1  
    6. main  

            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。

            因为在上面的代码分析过程中，我们发现如果没有先set的话，即在map中查找不到对应的存储，则会通过调用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一个语句是T value = initialValue()， 而默认情况下，initialValue方法返回的是null。


            看下面这个例子：

    Java代码  收藏代码
    1. package com.bijian.study;  
    2.   
    3. public class Test02 {  
    4.   
    5.     ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();  
    6.     ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();  
    7.   
    8.     public void set() {  
    9.         longLocal.set(Thread.currentThread().getId());  
    10.         stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());  
    11.     }  
    12.   
    13.     public long getLong() {  
    14.         return longLocal.get();  
    15.     }  
    16.   
    17.     public String getString() {  
    18.         return stringLocal.get();  
    19.     }  
    20.   
    21.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
    22.         final Test02 test = new Test02();  
    23.   
    24.         System.out.println(test.getLong());  
    25.         System.out.println(test.getString());  
    26.   
    27.         Thread thread1 = new Thread() {  
    28.             public void run() {  
    29.                 test.set();  
    30.                 System.out.println(test.getLong());  
    31.                 System.out.println(test.getString());  
    32.             };  
    33.         };  
    34.         thread1.start();  
    35.         thread1.join();  
    36.   
    37.         System.out.println(test.getLong());  
    38.         System.out.println(test.getString());  
    39.     }  
    40. }  

    运行结果：

    Text代码  收藏代码
    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线程中，没有先set，直接get的话，运行时会报空指针异常。

            但是如果改成下面这段代码，即重写了initialValue方法：

    Java代码  收藏代码
    1. package com.bijian.study;  
    2.   
    3. public class Test03 {  
    4.   
    5.     ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>() {  
    6.         protected Long initialValue() {  
    7.             return Thread.currentThread().getId();  
    8.         };  
    9.     };  
    10.       
    11.     ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>() {  
    12.         protected String initialValue() {  
    13.             return Thread.currentThread().getName();  
    14.         };  
    15.     };  
    16.   
    17.     public void set() {  
    18.         longLocal.set(Thread.currentThread().getId());  
    19.         stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());  
    20.     }  
    21.   
    22.     public long getLong() {  
    23.         return longLocal.get();  
    24.     }  
    25.   
    26.     public String getString() {  
    27.         return stringLocal.get();  
    28.     }  
    29.   
    30.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
    31.         final Test03 test = new Test03();  
    32.   
    33.         //test.set();  
    34.         System.out.println(test.getLong());  
    35.         System.out.println(test.getString());  
    36.   
    37.         Thread thread1 = new Thread() {  
    38.             public void run() {  
    39.                 //test.set();  
    40.                 System.out.println(test.getLong());  
    41.                 System.out.println(test.getString());  
    42.             };  
    43.         };  
    44.         thread1.start();  
    45.         thread1.join();  
    46.   
    47.         System.out.println(test.getLong());  
    48.         System.out.println(test.getString());  
    49.     }  
    50. }  

    运行结果：

    Text代码  收藏代码
    1. 1  
    2. main  
    3. 8  
    4. Thread-0  
    5. 1  
    6. main  

            就可以直接不用先set而直接调用get了。

    三.ThreadLocal的应用场景

            最常见的ThreadLocal使用场景为 用来解决数据库连接、Session管理等。如：

            数据库连接：

    Java代码  收藏代码
    1. private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {  
    2.     public Connection initialValue() {  
    3.         return DriverManager.getConnection(DB_URL);  
    4.     }  
    5. };  
    6.   
    7. public static Connection getConnection() {  
    8.     return connectionHolder.get();  
    9. }  

            Session管理：

    Java代码  收藏代码
    1. private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();  
    2.   
    3. public static Session getSession() throws InfrastructureException {  
    4.     Session s = (Session) threadSession.get();  
    5.     try {  
    6.         if (s == null) {  
    7.             s = getSessionFactory().openSession();  
    8.             threadSession.set(s);  
    9.         }  
    10.     } catch (HibernateException ex) {  
    11.         throw new InfrastructureException(ex);  
    12.     }  
    13.     return s;  
    14. }  
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