java并发编程（3）：ThreadLocal
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一. 对ThreadLocal的理解
ThreadLocal,很多地方叫做线程本地变量，也有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看容易理解，但真正理解并不是那么容易。
/**
* 学习ThreadLocal
* Created by mrf on 2016/3/6.
*/
public class ConnectionManager {
private static Connection connection = null;
public static Connection openConnection() throws SQLException {
if(connection == null){
connection = DriverManager.getConnection("url","username","password");
}
return connection;
}
public static void closeConnection() throws SQLException {
if (connection!=null)
connection.close();
}
}
假设有这样一个数据库连接管理类，这段代码在单线程中使用没有任何问题的，但是如果在多线程就会存在线程安全问题：
- 这里面的2个方法没有同步，很可能在openConnection方法中多次创建connect
- 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证线程安全，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。这样会大大影响程序的执行效率，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，大家来自习分析一下这个问题，这地方到底需不需要讲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。那么直接在使用数据库连接的方法中具体使用时才创建数据库，然后在方法调用完毕再释放这个链接，比如：
class ConnectionManager2{
private Connection connection = null;
public Connection openConnection() throws SQLException {
if (connection==null){
connection = DriverManager.getConnection("url","username","password");
}
return connection;
}
public void closeConnection() throws SQLException {
if (connection!=null)
connection.close();
}
}
class Dao{
public void insert() throws SQLException {
ConnectionManager2 connectionManager2 = new ConnectionManager2();
Connection connection = connectionManager2.openConnection();
//使用connection进行操作
connectionManager2.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是再合适不过了，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是用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()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，一般用来在使用时进行重写的，它是一个延迟加载方法。
首先我们来看一下ThreadLocal类时如何为每个线程创建一个变量的副本的。
先看get方法的实现：
/**
* Returns the value in the current thread's copy of this
* thread-local variable. If the variable has no value for the
* current thread, it is first initialized to the value returned
* by an invocation of the {@link #initialValue} method.
*
* @return the current thread's value of this thread-local
*/
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null)
return (T)e.value;
}
return setInitialValue();
}
第一句是取得当前线程，然后通过getMap(t)方法获取一个map，map的类型为ThreadLocalMap.然后下面获取到key-value,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。我们上的每一句来自习分析：
首先看一下getMap方法中做了什么：
/**
* Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
* InheritableThreadLocal.
*
* @param t the current thread
* @return the map
*/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
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中一个成员变量threadLocals.那么继续Thread类中看看成员变量ThreadLocals是什么：
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
实际上就是一个ThreadLocalMap,这个类型是ThreadLocal类的一个内部类，我们继续看ThreadLocalMap的实现：
/**
* ThreadLocalMap is a customized hash map suitable only for
* maintaining thread local values. No operations are exported
* outside of the ThreadLocal class. The class is package private to
* allow declaration of fields in class Thread. To help deal with
* very large and long-lived usages, the hash table entries use
* WeakReferences for keys. However, since reference queues are not
* used, stale entries are guaranteed to be removed only when
* the table starts running out of space.
*/
static class ThreadLocalMap {
/**
* The entries in this hash map extend WeakReference, using
* its main ref field as the key (which is always a
* ThreadLocal object). Note that null keys (i.e. entry.get()
* == null) mean that the key is no longer referenced, so the
* entry can be expunged from table. Such entries are referred to
* as "stale entries" in the code that follows.
*/
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
可以看到ThreadLocalMap的Entry继承了WeakReference作为键值。然后继续看setInitialValue方法的具体实现：
/**
* Variant of set() to establish initialValue. Used instead
* of set() in case user has overridden the set() method.
*
* @return the initial value
*/
private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
很容易了解，就是如果map不为空，就设置键值对，为空则创建map，看下createMap的实现：
/**
* Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
* InheritableThreadLocal.
*
* @param t the current thread
* @param firstValue value for the initial entry of the map
* @param map the map to store.
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
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副本的：
首先，在每个线程Thread内部又一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals,这个threaLocals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，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：
/**
* 测试ThreadLocal变量在不同线程中变量的值是不同的。
* 因为每个线程都有个副本，然后可以针对副本进行修改而不影响其他线程中变量的副本值
*/
class TestThreadLocal2{
ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<>();
ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<>();
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 TestThreadLocal2 test = new TestThreadLocal2();
test.set();
System.out.println("===========main线程==============");
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
Thread t1 = new Thread(){
public void run(){
test.set();
System.out.println("===========t线程==============");
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
}
};
t1.start();
t1.join();
System.out.println("===========main线程==============");
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
}
}
这段代码的输出结果为：
===========main线程============== 1 main ===========t线程============== 10 Thread-0 ===========main线程============== 1 main
从这段代码的输出结果可以看出，在main线程中和thread0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main线程中和thread0线程中的副本值确实是不同的。
总结一下：
- 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；
- 为何threadLocals的类型为ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象？因为每个线程中个可以有多个ThreadLocal变量，就像上面的long和string；
- 在进行get之前必须先set，否则空指针异常；如果不想set则必须重写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方法中个，有一个语句是T value = initailValue()，而默认情况下，initialValue方法返回的是null。
因此，如果不set则要设置initialValue方法：
/**
* 不用set，则必须重写initialValue
* 设置的内容是可以自己定义的，这里只是示例
*/
class TestThreadLocal3{
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 long getLong(){
return longLocal.get();
}
public String getString(){
return stringLocal.get();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final TestThreadLocal3 test = new TestThreadLocal3();
System.out.println("===========main线程==============");
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
Thread t1 = new Thread(){
public void run(){
System.out.println("===========t线程==============");
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
}
};
t1.start();
t1.join();
System.out.println("===========main线程==============");
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：数据库连接，Session管理等。
/**
* Created by mrf on 2016/3/4.
*/
public class TestThreadLocal {
private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>(){
public Connection initialValue(){
try {
return DriverManager.getConnection("url","username","password");
} catch (SQLException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
};
public static Connection getConnection(){
return connectionHolder.get();
}
}
下面这段代码摘自：
http://www.iteye.com/topic/103804
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;
}
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