ThreadLocal类的实现用法

ThreadLocal是什么呢？其实ThreadLocal并非是一个线程的本地实现版本，它并不是一个Thread，而是threadlocalvariable(线程局部变量)。也许把它命名为ThreadLocalVar更加合适。线程局部变量(ThreadLocal)其实的功用非常简单，就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，是Java中一种较为特殊的线程绑定机制，是每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会和其它线程的副本冲突。

从线程的角度看，每个线程都保持一个对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收（除非存在对这些副本的其他引用）。

通过ThreadLocal存取的数据，总是与当前线程相关，也就是说，JVM 为每个运行的线程，绑定了私有的本地实例存取空间，从而为多线程环境常出现的并发访问问题提供了一种隔离机制。

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类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量的副本。

概括起来说，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

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)设置当前线程的线程局部变量的值。
• public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
• 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 5.0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。

模拟实现ThreadLocal代码：

 public class ThreadShareData {
     static int num = 0;

     public static void main(String[] args) {
         Map<Thread, Integer> map = new HashMap<Thread, Integer>();
         for (int i = 0; i < 2; i++) {
             new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     int num = new Random().nextInt();
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+" get num: "+num);
                     new A().get();
                     new B().get();
                 }
             }).start();
         }
     }

     static class A{
         public void get(){
             System.out.println("A: "+Thread.currentThread().getName() +"get num: "+num);
         }
     }

     static class B{
         public void get(){
             System.out.println("A: "+Thread.currentThread().getName() +"get num: "+num);
         }
     }

 }

ThreadLocal的经典用法：

 public class ThreadLocalShareData2 {
     static ThreadLocal<People> threadLocal = new ThreadLocal<People>();
     public static void main(String[] args) {
         for (int i = 0; i < 2; i++) {
             new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     int data = new Random().nextInt();
                     People people = new People().getInstance();
                     people.setName("name"+data);
                     people.setAge(data);
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" set name "+people.getName()+" set age "+people.getAge());
                     new A().get();
                     new B().get();
                 }
             }).start();
         }
     }

     static class A{
         public void get(){
             System.out.println("A: "+Thread.currentThread().getName() +"get name "+new People().getInstance().getName()+" get age "+new People().getInstance().getAge());
         }
     }
     static class B{
         public void get(){
             System.out.println("B: "+Thread.currentThread().getName() +"get name "+new People().getInstance().getName()+" get age "+new People().getInstance().getAge());
         }
     }
     static class People{
         private People(){

         }
         public People getInstance(){
             People people = threadLocal.get();
             if(people == null){
                 people = new People();
                 threadLocal.set(people);
             }
             return people;
         }
         private int age;
         private String name;
         public int getAge() {
             return age;
         }
         public String getName() {
             return name;
         }
         public void setAge(int age) {
             this.age = age;
         }
         public void setName(String name) {
             this.name = name;
         }
     }
 }

将ThreadLocal仿单例模式进行实现，更加面向对象。

在ThreadLocal类中有一个Map，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。

 public class TestNum {
     // ①通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
     private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {
         public Integer initialValue() {
             return 0;
         }
     };  

     // ②获取下一个序列值
     public int getNextNum() {
         seqNum.set(seqNum.get() + 1);
         return seqNum.get();
     }  

     public static void main(String[] args) {
         TestNum sn = new TestNum();
         // ③ 3个线程共享sn，各自产生序列号
         TestClient t1 = new TestClient(sn);
         TestClient t2 = new TestClient(sn);
         TestClient t3 = new TestClient(sn);
         t1.start();
         t2.start();
         t3.start();
     }  

     private static class TestClient extends Thread {
         private TestNum sn;  

         public TestClient(TestNum sn) {
             this.sn = sn;
         }  

         public void run() {
             for (int i = 0; i < 3; i++) {
                 // ④每个线程打出3个序列值
                 System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> sn["
                          + sn.getNextNum() + "]");
             }
         }
     }
 }  

我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个TestNum实例，但它们并没有发生相互干扰的情况，而是各自产生独立的序列号，这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。

Thread同步机制的比较：

ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢？ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

　　在同步机制中，通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写，什么时候需要锁定某个对象，什么时候释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。

　　而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

　　由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象，需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题，在一定程度地简化ThreadLocal的使用，代码清单 9 2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。

　　概括起来说，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

　　Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题我们知道在一般情况下，只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非线程安全状态采用ThreadLocal进行处理，让它们也成为线程安全的状态，因为有状态的Bean就可以在多线程中共享了。

　　一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次，在不同的层中编写对应的逻辑，下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下，从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程，如图9‑2所示：

　　同一线程贯通三层这样你就可以根据需要，将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放，在同一次请求响应的调用线程中，所有关联的对象引用到的都是同一个变量。

　　下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路：

　　非线程安全代码：

　　

 public class TestDao {
     private Connection conn;// ①一个非线程安全的变量  

     public void addTopic() throws SQLException {
         Statement stat = conn.createStatement();// ②引用非线程安全变量
         // …
     }
 }  

　　线程安全代码：

 public class TestDaoNew {
     // ①使用ThreadLocal保存Connection变量
     private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();  

     public static Connection getConnection() {
         // ②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection，
         // 并将其保存到线程本地变量中。
         if (connThreadLocal.get() == null) {
             Connection conn = getConnection();
             connThreadLocal.set(conn);
             return conn;
         } else {
             return connThreadLocal.get();// ③直接返回线程本地变量
         }
     }  

     public void addTopic() throws SQLException {
         // ④从ThreadLocal中获取线程对应的Connection
         Statement stat = getConnection().createStatement();
     }
 }  

不同的线程在使用TopicDao时，先判断connThreadLocal.get()是否是null，如果是null，则说明当前线程还没有对应的Connection对象，这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中；如果不为null，则说明当前的线程已经拥有了Connection对象，直接使用就可以了。这样，就保证了不同的线程使用线程相关的Connection，而不会使用其它线程的Connection。因此，这个TopicDao就可以做到singleton共享了。

　　当然，这个例子本身很粗糙，将Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题，但无法和其它DAO共用同一个Connection，要做到同一事务多DAO共享同一Connection，必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。

 public class ConnectionManager {  

     private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
         @Override
         protected Connection initialValue() {
             Connection conn = null;
             try {
                 conn = DriverManager.getConnection(
                         "jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username",
                         "password");
             } catch (SQLException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
             return conn;
         }
     };  

     public static Connection getConnection() {
         return connectionHolder.get();
     }  

     public static void setConnection(Connection conn) {
         connectionHolder.set(conn);
     }
 }  

还有一个经典实例，在HibernateUtil中，用于session的管理：

 public class HibernateUtil {
     private static Log log = LogFactory.getLog(HibernateUtil.class);
     private static final SessionFactory sessionFactory;     //定义SessionFactory

     static {
         try {
             // 通过默认配置文件hibernate.cfg.xml创建SessionFactory
             sessionFactory = new Configuration().configure().buildSessionFactory();
         } catch (Throwable ex) {
             log.error("初始化SessionFactory失败！", ex);
             throw new ExceptionInInitializerError(ex);
         }
     }

     //创建线程局部变量session，用来保存Hibernate的Session
     public static final ThreadLocal session = new ThreadLocal();

     /**
      * 获取当前线程中的Session
      * @return Session
      * @throws HibernateException
      */
     public static Session currentSession() throws HibernateException {
         Session s = (Session) session.get();
         // 如果Session还没有打开，则新开一个Session
         if (s == null) {
             s = sessionFactory.openSession();
             session.set(s);         //将新开的Session保存到线程局部变量中
         }
         return s;
     }

     public static void closeSession() throws HibernateException {
         //获取线程局部变量，并强制转换为Session类型
         Session s = (Session) session.get();
         session.set(null);
         if (s != null)
             s.close();
     }
 }

总结：

　　ThreadLocal使用场合主要解决多线程中数据数据因并发产生不一致问题。ThreadLocal为每个线程的中并发访问的数据提供一个副本，通过访问副本来运行业务，这样的结果是耗费了内存，单大大减少了线程同步所带来性能消耗，也减少了线程并发控制的复杂度。

　　ThreadLocal不能使用原子类型，只能使用Object类型。ThreadLocal的使用比synchronized要简单得多。

　　ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。但是ThreadLocal与synchronized有本质的区别。synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问。而ThreadLocal为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。而　Synchronized却正好相反，它用于在多个线程间通信时能够获得数据共享。

 　　Synchronized用于线程间的数据共享，而ThreadLocal则用于线程间的数据隔离。

　　当然ThreadLocal并不能替代synchronized,它们处理不同的问题域。Synchronized用于实现同步机制，比ThreadLocal更加复杂。

参考文档：

JDK 官方文档

http://blog.csdn.net/lufeng20/article/details/24314381

http://lavasoft.blog.51cto.com/62575/51926/