lesson1:threadlocal的使用demo及源码分析

本文中所使用的demo源码地址：https://github.com/mantuliu/javaAdvance 其中的类Lesson1ThreadLocal

本文为java晋级系列的第一讲，后续会陆续推出java相关的高级应用和分析。我个人一直都比较推崇threadlocal的设计原理和实现方式。以下关于threadlocal的描述来源于百度百科：

ThreadLocal很容易让人望文生义，想当然地认为是一个“本地线程”。其实，ThreadLocal并不是一个Thread，而是Thread的局部变量，也许把它命名为ThreadLocalVariable更容易让人理解一些。

所以，在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些，因此造成线程局部变量没有在Java开发者中得到很好的普及。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：

void set(Object value)

public void remove()

将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 1.5 新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。

protected Object initialValue()

返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已经支持泛型，该类的类名已经变为ThreadLocal<T>。API方法也相应进行了调整，新版本的API方法分别是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。

ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢？其实实现的思路很简单：在ThreadLocal类中定义了一个ThreadLocalMap，每一个Thread中都有一个该类型的变量——threadLocals——用于存储每一个线程的变量副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。

threadlocal强调的存储，它也不是java独有的概念，更准确的是它应该叫做threadlocal storage，是线程的本地存储，在我们的工作中，我们一定会遇到一种场景，一个用户在服务中经过了很多次的操作，当我们使用log4j和logback打印日志时，希望在日志中能清楚的标记出同一个用户的所有操作，这时，我们的日志系统其实就是使用了threadlocal来实现的此功能，在同一个线程中存储和传递变量。

下面的代码是一个threadlocal的使用例子：

package com.mantu.advance;
 
/**
 * blog http://www.cnblogs.com/mantu/
 * github https://github.com/mantuliu/
 * @author mantu
 *
 */
public class Lesson1ThreadLocal {
    public static ThreadLocal<String> local = new ThreadLocal<String>();//声明静态的threadlocal变量
    public static ThreadLocal<String> local2 = new ThreadLocal<String>();//声明静态的threadlocal变量
    public static void main(String [] args){
        for(int i=0;i<5;i++){
            TestThread testThread = new TestThread();//创建5个线程
            new Thread(testThread).start();
        }
    }
     
}
 
class TestThread implements Runnable{
     
    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
        try {
            Thread.sleep(1l);//让线程停顿一下，便于其它线程执行
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        Lesson1ThreadLocal.local.set(Thread.currentThread().getId()+":"+System.currentTimeMillis());
        Lesson1ThreadLocal.local2.set(Thread.currentThread().getId()+"");
        firstStep();
        try {
            Thread.sleep(1l);//让线程停顿一下，便于其它线程执行
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        secondStep();
        try {
            Thread.sleep(1l);//让线程停顿一下，便于其它线程执行
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        thirdStep();
        try {
            Thread.sleep(1l);//让线程停顿一下，便于其它线程执行
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        fourthStep();
        try {
            Thread.sleep(1l);//让线程停顿一下，便于其它线程执行
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        fStep();
    }
     
    public void firstStep(){
        System.out.println(Lesson1ThreadLocal.local.get().toString()+":first step");//获取本线程的threadlocal变量值并打印
    }
    public void secondStep(){
        System.out.println(Lesson1ThreadLocal.local.get().toString()+":second step");
    }
    public void thirdStep(){
        System.out.println(Lesson1ThreadLocal.local.get().toString()+":third step");
    }
    public void fourthStep(){
        System.out.println(Lesson1ThreadLocal.local.get().toString()+":fourth step");
    }
    public void fStep(){
        System.out.println(Lesson1ThreadLocal.local.get().toString()+":fifth step");
    }
}

代码的主要思路是5个线程，使用了同一个静态的threadlocal变量，每个线程在启动时，存储本线程相关的变量，在后面的5个步骤中都会使用到，展示每个线程的所使用的变量都是独立的，执行结果如下，大家可以自行执行并观察执行结果：

9:1470882533007:first step
11:1470882533023:first step
10:1470882533024:first step
13:1470882533024:first step
9:1470882533007:second step
12:1470882533024:first step
9:1470882533007:third step
12:1470882533024:second step
13:1470882533024:second step
11:1470882533023:second step
10:1470882533024:second step
11:1470882533023:third step
10:1470882533024:third step
12:1470882533024:third step
9:1470882533007:fourth step
13:1470882533024:third step
11:1470882533023:fourth step
10:1470882533024:fourth step
12:1470882533024:fourth step
13:1470882533024:fourth step
9:1470882533007:fifth step
12:1470882533024:fifth step
10:1470882533024:fifth step
13:1470882533024:fifth step
11:1470882533023:fifth step

从执行结果标注红色的部分可以看出，线程id为9的线程在step1到step5的操作过程中，从threadlocal变量中所取到变量值是同一个：9:1470882533007，由此便巧妙的利用了threadlocal变量来实现了在同一个线程内部的变量共享功能，对于同一个变量的操作与其它线程隔离。

下面我们开始分析一下threadlocal的源码，首先从set()方法看起：

    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();//获取到当前的线程
        ThreadLocalMap map = getMap(t);//通过当前的线程来获取到本线程对应的存储map
        if (map != null)
            map.set(this, value);//如果map不为空，则在map中存储值value，对应的key为当前的threadlocal对象
        else
            createMap(t, value);//如果map为空，则创建map，并在map中存储此变量
    }

接下来，我们再分析一下createMap()相关的代码

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);//创建ThreadLocalMap，参数为threadlocal变量和之前传递的变量值
}
 
    ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue) {
        table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];//存储变量的数组
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);//将变量存储到数组里
        size = 1;
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }

我们再来看看get()的源码

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();//一样的获取当前的线程
    ThreadLocalMap map = getMap(t);//因为每个线程都有一个独立的map空间，通过线程获取到这个map
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);//通过key值，也就是我们的local变量来获取到实际的变量值
        if (e != null)
            return (T)e.value;
    }
    return setInitialValue();
}

从源码中，我们可以发现，每个线程都有一个独立的存储空间，此空间是一个map，map的key值是我们所使用的threadlocal变量，例如文中的ThreadLocal<String> local 变量，此key对应的值为我们存储的变量Thread.currentThread().getId()+":"+System.currentTimeMillis()。通过下面的图可以更好的帮助大家来理解threadlocal变量中线程、存储空间map、threadlocal变量、存储的变量四者间的关系：一个thread有且只有一个存储空间(map)，map会对应多个键值对，其中键为threadlocal变量，值为业务使用的实际变量。