Java ThreadLocal 使用详解
ThreadLocal的官方API解释为:
"该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物,因为访问某个变量(通过其 get 或 set 方法)的每个线程都有自己的局部变量,它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal 实例通常是类中的 private static 字段,它们希望将状态与某一个线程(例如,用户 ID 或事务 ID)相关联。"
大概的意思有两点:
- ThreadLocal提供了一种访问某个变量的特殊方式:访问到的变量属于当前线程,即保证每个线程的变量不一样,而同一个线程在任何地方拿到的变量都是一致的,这就是所谓的线程隔离。
- 如果要使用ThreadLocal,通常定义为private static类型,在我看来最好是定义为private static final类型。
应用场景
ThreadLocal通常用来共享数据,当你想在多个方法中使用某个变量,这个变量是当前线程的状态,其它线程不依赖这个变量,你第一时间想到的就是把变量定义在方法内部,然后再方法之间传递参数来使用,这个方法能解决问题,但是有个烦人的地方就是,每个方法都需要声明形参,多处声明,多处调用。影响代码的美观和维护。有没有一种方法能将变量像private static形式来访问呢?这样在类的任何一处地方就都能使用。这个时候ThreadLocal大显身手了。
实践
我们首先来看一段代码
package com.test1; import java.util.HashMap;
import java.util.Map; public class Test1 implements Runnable {
private final static Map map = new HashMap();
int id;
/*static ThreadLocal<HashMap> threadLocal = new ThreadLocal<HashMap>(){ @Override protected HashMap initialValue() { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"initialValue"); return new HashMap(); } };*/
public Test1(int id) {
super();
this.id = id;
} @Override
public void run() {
//Map map = threadLocal.get();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
map.put(i, i + id * 100);
try {
Thread.sleep(100);
} catch (Exception ex) {
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "# map.size()="
+ map.size() + " # " + map);
} public static void main(String[] args) {
Thread[] runs = new Thread[15];
Test1 t = new Test1(1);
for (int i = 0; i < runs.length; i++) {
runs[i] = new Thread(t);
}
for (int i = 0; i < runs.length; i++) {
runs[i].start();
}
}
}
这段程序的本意是,启动15个线程,线程向map中写入20个整型值,然后输出map。运行该程序,观察结果,我们会发现,map中压根就不止20个元素,这说明程序产生了线程安全问题。
我们都知道HashMap是非线程安全的,程序启动了15个线程,他们共享了同一个map,15个线程都往map写对象,这势必引起线程安全问题。
我们有两种方法解决这个问题:
- 将map的声明放到run方法中,这样map就成了方法内部变量,每个线程都有一份new HashMap(),无论多少个线程执行run方法,都不会有线程安全问题。这个方法也正如应用场景中提到的,如果有多处地方使用到map,传值是个烦人的地方。
- 将HashMap换成Hashtable。用线程同步来解决问题,然而我们的程序只是想向一个map中写入20个整型的KEY-VALUE而已,并不需要线程同步,同步势必影响性能,得不偿失。
- ThreadLocal提供另外一种解决方案,即在解决方案a上边,将new HashMap()得到的实例变量,绑定到当前线程中。之后从任何地方,都可以通过ThreadLocal获取到该变量。将程序中的注释代码恢复,再将 private final static Map map = new HashMap();注释掉,运行程序,结果就是我们想要的。
实现原理
程序调用了get()方法,我们来看一下该方法的源码:
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(); }
getMap方法的源码:
ThreadLocalMap getMap(Thread t) { return t.threadLocals; }
该方法返回的是当前线程中的ThreadLocalMap实例。阅读Thread的源码我们发现Thread中有如下变量声明:
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained * by the ThreadLocal class. */ ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
我们暂时可以将ThreadLocalMap理解为一个类似Map的这么个类,之后再讲解它。
get()方法的大致意思就是从当前线程中拿到ThreadLocalMap的实例threadLocals,如果threadLocals不为空,那么就以当前ThreadLocal实例为KEY从threadLocals中拿到对应的VALUE。如果不为空,那么就调用 setInitialValue()方法初始化threadLocals,最终返回的是initialValue()方法的返回值。下面是 setInitialValue()方法的源码
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; }
我们看到map.set(this, value);这句代码将ThreadLocalMap的实例作为KEY,将initialValue()的返回值作为VALUE,set到了threadLocals中。
程序在声明ThreadLocal实例的时候覆写了initialValue(),返回了VALUE,当然我们可以直接调用set(T t)方法来设置VALUE。下面是set(T t)方法的源码:
public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) map.set(this, value); else createMap(t, value); }
我们看到它比setInitialValue()方法就少了个return语句。这两种方式都能达到初始化ThreadLocalMap实例的效果。
我们再来看一下ThreadLocal类的结构。
ThreadLocal类只有三个属性,如下:
/*ThreadLocal的hash值,map用它来存储值*/ private final int threadLocalHashCode = nextHashCode(); /*改类能以原子的方式更新int值,这里主要是在产生新的ThreadLocal实例时用来产生一个新的hash值,map用该值来存储对象*/ private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger(); /*该变量标识每次产生新的ThreadLocal实例时,hash值的增量*/ private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
剩下的就是一些方法。最关键的地方就是ThreadLocal定义了一个静态内部类ThreadLocalMap。我们在下一章节再来分析这个类。从ThreadLocal的类结构,我们可以看到,实际上问题的关键先生是ThreadLocalMap,ThreadLocal只是提供了管理的功能,我们也可以说ThreadLocal只是代理了ThreadLocalMap而已。
ThreadLocalMap源码分析
既然ThreadLocalMap实现了类似map的功能,那我们首先来看看它的set方法源码:
private void set(ThreadLocal key, Object value) { // We don’t use a fast path as with get() because it is at // least as common to use set() to create new entries as // it is to replace existing ones, in which case, a fast // path would fail more often than not. Entry[] tab = table; int len = tab.length; int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { ThreadLocal k = e.get(); if (k == key) { e.value = value; return; } if (k == null) { replaceStaleEntry(key, value, i); return; } } tab[i] = new Entry(key, value); int sz = ++size; if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) rehash(); }
这个方法的主要功能就是讲KEY-VALUE存储到ThreadLocalMap中,这里至少我们看到KEY实际上是 key.threadLocalHashCode,ThreadLocalMap同样维护着Entry数组,这个Entry我们在下一节会讲解。这里涉及到了Hash冲突的处理,这里并不会向HashMap一样冲突了以链表的形式往后添加。如果对这个Hash冲突解决方案有兴趣,可以再进一步研究源码。
既然ThreadLocalMap也是用Entry来存储对象,那我们来看看Entry类的声明,Entry被定义在ThreadLocalMap的内部:
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> { /** The value associated with this ThreadLocal. */ Object value; Entry(ThreadLocal k, Object v) { super(k); value = v; } }
这里我们看到Entry集成了WeakReference类,泛型声明了ThreadLocal,即每一个Entry对象都保留了对 ThreadLocal实例的弱引用,之所以这么干的原因是,线程在结束之后需要将ThreadLocal实例从map中remove调,以便回收内存空间。
总结
首先,ThreadLocalMap并不是为了解决线程安全问题,而是提供了一种将实例绑定到当前线程的机制,类似于隔离的效果,实际上自己在方法中new出来变量也能达到类似的效果。ThreadLocalMap跟线程安全基本不搭边,绑定上去的实例也不是多线程公用的,而是每个线程new一份,这个实例肯定不是共用的,如果共用了,那就会引发线程安全问题。ThreadLocalMap最大的用处就是用来把实例变量共享成全局变量,在程序的任何方法中都可以访问到该实例变量而已。网上很多人说ThreadLocalMap是解决了线程安全问题,其实是望文生义,两者不是同类问题。
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