Java并发编程:深入剖析ThreadLocal
一、对ThreadLocal的理解
ThreadLocal 线程本地变量,ThreadLocal为变量在每个线程都创建了一个副本,那么这个线程可以访问自己内部的副本变量。这句话其实不那么容易理解。
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:
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,这样不尽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、深入理解ThreadLocal
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()方法用来设置当前线程中变量副本,remove()用来移除当前线程中变量副本。initialValue()是一个protected方法,一般是用来进行重写的,它是一个延迟加载方法。
首先我们来看一下ThreadLocal是如何为每个线程创建一个变量副本的。
先看以下get()方法:
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的类型是ThreadLocalMap。然后接着下面获取到<key,value>键值对,注意这里获取的键值对传进去的是this,而不是当前线程t。
如果成功获取,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,是调用当前线程t,返回当前线程t中的一个成员变量threadLocals。
那么我们继续看threadLoacals是什么。
实际上就是ThreadLoaclMap是ThreadLocal类的一个内部类,我们继续看ThreadLocalMap的实现:
可以看到ThreadLocalMap的Entry继承了WeakReference,并且使用了ThreadLocal作为键值。
然后继续看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值,存到threadLocals中。
然后在当前线程中,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:
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,最后一此在main线程再次打印副本值是为了证明在main线程和thread1线程中副本值确实时不同的。
总结以下:
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threadLocal的类型ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象,因为每个线程可以有多个threadLocal变量,就像上面代码中的longLocal和stringLocal;
3)在进行get之前,必须进行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。
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(); 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()); } }
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:
public class Test { ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>(){ protected Long initialValue() { return Thread.currentThread().getId(); }; }; ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>(){; protected String initialValue() { return Thread.currentThread().getName(); }; }; 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()); } }
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。
private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() { public Connection initialValue() { return DriverManager.getConnection(DB_URL); } }; public static Connection getConnection() { return connectionHolder.get(); }
private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal(); public static Session getSession() throws InfrastructureException { Session s = (Session) threadSession.get(); try { if (s == null) { s = getSessionFactory().openSession(); threadSession.set(s); } } catch (HibernateException ex) { throw new InfrastructureException(ex); } return s; }