并发编程七、ThreadLocal、CopyOnWrite、ForkJoin

前言：

1. 文章内容：线程与进程、线程生命周期、线程中断、线程常见问题总结
2. 本文章内容来源于笔者学习笔记，内容可能与相关书籍内容重合
3. 偏向于知识核心总结，非零基础学习文章，可用于知识的体系建立，核心内容复习，如有帮助，十分荣幸
4. 相关文献：并发编程实战、计算机原理

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ThreadLocal解析

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概念：

　　线程本地变量，为每一个线程维护一个独立的变量副本，将对象可见范围限制在同一个线程内。synchronized同步机制采用时间换空间，共享变量让不同的线程排队访问。而ThreadLocal是空间换时间，为每个线程都提供一个变量的副本，实现同时访问而不干扰

使用场景：

• 每个线程需要一个独享的对象，通常是工具类，典型需要使用的类有SimpleDateFormat和Random。
• 比如：使用SimpleDateFormat工具类，线程池执行任务要求打印每个线程执行的时间，但是多线程会出现时间错乱，使用ThreadLocal让SimpleDateFormat变为每个线程都有一份。
• 每个线程内需要保存全局变量，如拦截器中获取用户信息，可以让不同方法直接使用，避免参数传递的麻烦。
• 比如：请求会进入多个服务的多个方法，我们频繁需要获取用户信息来进行操作，层层传递这个用户信息会导致代码冗余且不易维护。用ThreadLocal保存一些业务内容，这些信息在同一个线程池内使用，在线程的生命周期里都通过这个静态ThreadLocal实例的get方法去取得set的对象，避免了这个对象作为参数传递的麻烦。

使用优势：

• 传递数据 ：保存每个线程绑定的数据，在需要的地方可以直接获取, 避免参数直接传递带来的代码耦合问题
• 线程隔离 ：各线程之间的数据相互隔离却又具备并发性，避免同步方式带来的性能损失

结构：

　　每个Thread维护了一个ThreadLocalMap，这个Map的key是ThreadLoacl实例本身，value是要存储的值。

源码分析：

　　ThreadLocalMap：ThreadLocal的静态内部类，定义了一个Entry来保存数据，Entry继承WeakReference，也就是key（ThreadLocal）是弱引用，其目的是将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑。

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    //获取当前线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        //如果map不为null，存储此实体entry
        map.set(this, value);
    else
        //如果map，代表此线程不存在ThreadLocalMap对象，那就初始化ThreadLocalMap，并将当前线程和value作为第一个entry存储至ThreadLocalMap
        createMap(t, value);
}
public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    //获取当前线程对象的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        //如果存在，则以当前的ThreadLoacl实例为key，获取entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;//获取value
            return result;
        }
    }
    //初始化：map不存在，此Thread对象没有ThreadLocalMap对象，map存在，但是没有与当前ThreadLoacl关联的entry
    return setInitialValue();
}

普及一下引用的回收

• 强引用：GC永远不会回收被引用的对象，内存不足抛异常都不回收。
• 软引用：内存不足时，会回收关联的对象
• 弱引用：垃圾回收会回收关联的对象
• 虚引用：关联对象随时可能被回收

内存泄漏问题：

• key使用强引用：使用完ThreadLocal需要回收，但是ThreadLocalMap的Entry强引用了ThreadLocal，导致无法被回收。在没有删除这个entry及这个ThreadLocalMap仍在运行的情况下，Entry就不会被回收，导致Entry内存泄漏。
• key使用弱引用：使用完ThreadLocal需要回收，但是ThreadLocalMap持有ThreadLocal的弱引用，那么ThreadLocal可以被GC回收，此时entry中的key=null。但是在没有删除这个entry及这个ThreadLocalMap仍在运行的情况下，这个value不会被回收，而key回收了，value永远不会被访问，导致value内存泄漏。
• 内存泄漏的原因：与key是强弱引用没有关系，真正原因是entry没有删除，且ThreadLocalMap仍在运行。
• 解决：entry的删除采用remove方法就可以避免内存泄漏。由于ThreadLocalMap是Thread的一个属性，被当前线程所引用，所以它的生命周期跟Thread一样长。那么在使用完ThreadLocal之后，如果当前Thread也随之执行结束，ThreadLocalMap自然也会被gc回收，从根源上避免了内存泄漏。
• 为什么使用弱引用：在ThreadLocalMap中的set/getEntry方法中，会对key为null进行判断，如果为null的话，那么是会对value置为null的。使用弱引用多了一层保障，如果使用完ThreadLocal忘记了remove，那么对于的value在下一次调用set、get、remove任一方法时会被清除，避免内存泄漏。

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CopyOnWriteArrayList（写时复制）

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实现原理：

　　往容器添加元素时，不直接往容器添加，而是复制当前容器的拷贝，往新容器添加元素，最后将原容器的引用指向新容器。对list和set在并发下的操作，可以使用这种容器。

CopyOnWrite容器：

• 代替Vector和SynchronizedList，类似于ConcurrentHashMap代替SynchronizedMap一样。
• Vector和SynchronizedList的锁粒度太大，并发效率相对比较低，并且迭代时无法编辑
• CopyOnWrite容器还包括CopyOnWriteArraySet，用来代替同步Set
• 该容器是读写分离的，写操作执行过程中，读不会阻塞，但是读取的是老容器数据。

CopyOnWriteArrayList优缺点：

• 优点：用于读多写少并发场景，线程安全的list容器。迭代器遍历时进行修改，不会抛出异常。
• 缺点：每次执行写操作都会将原容器拷贝一份，数据量过大时内存有压力。只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。如果希望写入的数据马上能读到，请不要使用该容器

CopyOnWriteArrayList适用场景：

1. 读操作尽可能快，写慢一点没事：如黑名单、每日更新；监听器：迭代操作远多于修改操作
2. 读写锁升级：读取不加锁，写入也不阻塞读取操作，只有写入和写入之间需要进行同步

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ForkJoin

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ForkJoin概念：

　　适合于CPU密集型任务处理，核心思想是分而治之。将一个大任务分为多个小任务去执行，最后进行汇总，提升计算效率。ForkJoin在执行任务时使用了工作窃取算法。

工作窃取算法：

• 多线程执行不同任务队列，某个线程执行完自己的队列后，从其他线程的队列中窃取任务来执行
• 窃取时，为了减少线程的竞争，采用双端队列存储任务，被窃取的线程从队头拿任务，窃取的线程从队尾拿任务
• 当一个线程窃取任务时没有其他可用任务了，会进入阻塞状态

原理：

　　实现ExecutorSerivce接口的多线程处理器，专为可以通过递归分解成更细小的任务而设计，最大化的利用多核处理器来提高应用程序的性能。与其他ExecutorSerivce实现相同的是，Fork/Join框架会将任务分配给线程池中的线程。而与之不同的是，Fork/Join框架在执行任务时使用了工作窃取算法。

原理图示：