Java多线程学习之ThreadLocal源码分析
0、概述
ThreadLocal，即线程本地变量。它是将变量绑定到特定的线程上的“入口“，使每个线程都拥有改变量的一个拷贝，各线程相同变量间互不影响，是实现共享资源的轻量级同步。
下面是个ThreadLocal使用的实例，两个任务共享同一个变量，并且两个任务都把该变量设置为了线程私有变量，这样，虽然两个任务都”持有“同一变量，但各自持有该变量的拷贝。因此，当一个线程修改该变量时，不会影响另一线程该变量的值。
public class LocalTest1 implements Runnable { // 一般会把 ThreadLocal 设置为static 。它只是个为线程设置局部变量的入口，多个线程只需要一个入口 private static ThreadLocal<Student> localStudent = new ThreadLocal() { // 一般会重写初始化方法，一会分析源码时候会解释为什么 @Override public Student initialValue() { return new Student(); } }; private Student student = null; @Override public void run() { String threadName = Thread.currentThread().getName(); System.out.println("【" + threadName + "】：is running !"); Random ramdom = new Random(); //随机生成一个变量 int age = ramdom.nextInt(100); System.out.println("【" + threadName + "】：set age to :" + age); // 获得线程局部变量，改变属性值 Student stu = getStudent(); stu.setAge(age); System.out.println("【" + threadName + "】：第一次读到的age值为 :" + stu.getAge()); try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("【" + threadName + "】：第二次读到的age值为 :" + stu.getAge()); } public Student getStudent() { student = localStudent.get(); // 如果不重写初始化方法，则需要判断是否为空，然后手动为ThreadLocal赋值 // if(student == null){ // student = new Student(); // localStudent.set(student); // } return student; } public static void main(String[] args) { LocalTest1 ll = new LocalTest1(); Thread t1 = new Thread(ll, "线程1"); Thread t2 = new Thread(ll, "线程2"); t1.start(); t2.start(); } } public class Student{ private int age; public Student(){ } public Student(int age){ this.age = age; } public int getAge() { return age; } public void setAge(int age) { this.age = age; } }
运行结果：
【线程1】：is running ! 【线程2】：is running ! 【线程2】：set age to :45 【线程1】：set age to :25 【线程1】：第一次读到的age值为 :25 【线程2】：第一次读到的age值为 :45 【线程1】：第二次读到的age值为 :25 【线程2】：第二次读到的age值为 :45
public ThreadLocal{ public T get() {} public void set(T value) {} public void remove() {} }
public void set(T value) { // 获得当前线程 Thread t = Thread.currentThread(); // 获得当前线程的 ThreadLocalMap 引用，详细见下 ThreadLocalMap map = getMap(t); // 如果不为空，则更新局部变量的值 if (map != null) map.set(this, value); //如果不是第一次使用，先进行初始化 else createMap(t, value); }
ThreadLocalMap getMap(Thread t) { //返回该线程Thread的成员变量threadLocals return t.threadLocals; }
但是，Thread 默认把threadLocals设置为了null，因此第一次使用局部变量时候需要先初始化。
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
public T get() { //获得当前线程 Thread t = Thread.currentThread(); //得到当前线程的一个threadLocals 变量 ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { // 如果不为空，以当前ThreadLocal为主键获得对应的Entry ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } //如果值为空，则进行初始化 return setInitialValue(); }
private T setInitialValue() { //获得初始默认值 T value = initialValue(); //得到当前线程 Thread t = Thread.currentThread(); // 获得该线程的ThreadLocalMap引用 ThreadLocalMap map = getMap(t); //不为空则覆盖 if (map != null) map.set(this, value); else //若是为空，则进行初始化，键为本ThreadLocal变量，值为默认值 createMap(t, value); } // 默认初始化返回null值，这也是为什么需要重写该方法的原因。如果没有重写，第一次get()操作获得的线程本地变量为null，需要进行判断并手动调用set()进行初始化 protected T initialValue() { return null; }
// table 默认大小，大小为2的次方，用于hash定位 private static final int INITIAL_CAPACITY = 16; // 存放键值对的数组 private Entry[] table; // 扩容的临界值，当table元素大到这个值，会进行扩容 private int threshold;
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; // Hash 寻址，与table数组长度减1（二进制全是1）相与，所以数组长度必须为2的次方，减小hash重复的可能性 int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); //从hash值计算出的下标开始遍历 for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { //获得该Entry的键 ThreadLocal<?> k = e.get(); //如果键和传过来的相同，覆盖原值，也说明，一个ThreadLocal变量只能为一个线程保存一个局部变量 if (k == key) { e.value = value; return; } // 键为空，则替换该节点 if (k == null) { replaceStaleEntry(key, value, i); return; } } tab[i] = new Entry(key, value); int sz = ++size; //是否需要扩容 if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) rehash(); }
为什么说数组长度为2的次方有利于hash计算不重复呢？我们来看下，显然，和一个二进制全是1的数相于，能最大限度的保证原数的所有位数，因而重复几率会变小。
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { //Hash计算数组下标 int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); //得到该下标的节点 Entry e = table[i]; //如果该节点存在，并且键和传过来的ThreadLocal对象相同，则返回该节点（说明该节点没有进行Hash冲突处理） if (e != null && e.get() == key) return e; //如果该节点不直接满足需求，可能进行了Hash冲突处理，则另外处理 else return getEntryAfterMiss(key, i, e); }
// if (e == null || e.get() != key) private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; //从洗标为i开始遍历，直到遇到下一空节点或或是满足需求的节点 while (e != null) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == key) return e; if (k == null) //节点不为空，键为空，则清理该节点 expungeStaleEntry(i); else // i后移 i = nextIndex(i, len); e = tab[i]; } //否则返回空值 return null; }
综上所述可知，ThreadLocal 只是访问Thread本地变量的一个入口，正真存储本地变量的其实是在Thread本地，同时ThreadLocal也作为一个键去Hash找到变量所在的位置。也许你会想，为什么不把ThreadLocalMap设置为< Thread,Variable>类型，把Thread作为主键，而要增加一个中间模块ThreadLocal？我的想法是，一来，这样确实可以满足需求，但是这样无法进行hash查找，如果一个Thread的本地变量过多，通过线性查找会花费大量时间，使用ThreadLocal作为中间键，可以进行Hash查找；二来，其实本地变量的添加、查找和删除需要进行大量的操作，设计者的思路是把这些操作封装在一个ThreadLocal类里，而只暴露了三个常用的接口，如果把ThreadLocal去掉，这些操作可能要写在Thread类里，违背了设计类的“单一性”原则；三来，我们这样相当于为每个本地变量取了个“名字”（即，一个ThreadLocal对应一个本地变量），使用方便。
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