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ThreadLocal基本原理及运用

piano发表于 2016-11-30 14:38:23

ThreadLocal简述

下面我们看一下ThreadLocal类的官方注释。

This class provides thread-local variables. These variables differ from

their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its

{@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized

copy of the variable. {@code ThreadLocal} instances are typically private

static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g.,

a user ID or Transaction ID).

大致的意思是，ThreadLocal提供本地线程变量。这个变量里面的值（通过get方法获取）是和其他线程分割开来的，变量的值只有当前线程能访问到，不像一般的类型比如Person,Student类型的变量，只要访问到声明该变量的对象，即可访问其全部内容，而且各个线程的访问的数据是无差别的。Thread的典型应用是提供一个与程序运行状态相关静态变量，比如一次访问回话的表示符号：USERID,或者一次事务里面的事务id:Transaction ID。

基本原理

线程本地变量是和线程相关的变量，一个线程则一份数据。我们通过ThreadLocal保存的数据最终是保存在Thread类的ThreadLocalMap threadLocals变量中。ThreadlocalMap是一个Map结构，其中key为我们声明的ThreadLocal对象，value即为我们使用ThreadLocal保存的线程本地变量.

当我们调用ThreadLocal变量set方法时，那么为将TheadLocal作为key,set方法的参数做为value保存在当前线程的threadLocals中.调用get方法时类似，调用get方法时，会去Thread的threadLocals中去寻找key为ThreadLocal 变量的值

源码如下：


//Thread.threadLocals变量声明
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. 
 */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

// ThreadLocal set get方法

/**
 * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
 * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
 * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
 * method to set the values of thread-locals.
 *
 * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
 *        this thread-local.
 */
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);// getMap方法即去获取当前线程的ThreadLocalMap变量。
    if (map != null)
        map.set(this, value);//以this(ThreadLocal本身)为Key,参数value为值进行保存
    else
        createMap(t, value);
}

/**
 * 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;
}


/**
 * 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) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

下面是测试代码：

static ThreadLocal<String> stringThreadLocal = new ThreadLocal<>();

@Test
public  void test01(){
    Thread thread1 = new Thread(){
        @Override
        public void run() {
            stringThreadLocal.set("threadName===>"+Thread.currentThread().getName());
            System.out.println(this.getName()+" thread get the value:"+stringThreadLocal.get());

        }
    };
    Thread thread2 = new Thread(){
        @Override
        public void run() {
            stringThreadLocal.set("threadName===>"+Thread.currentThread().getName());
            System.out.println(this.getName()+" thread get the value:"+stringThreadLocal.get());

        }
    };
    Thread thread3 = new Thread(){
        @Override
        public void run() {
            stringThreadLocal.set("threadName===>"+Thread.currentThread().getName());
            System.out.println(this.getName()+" thread get the value:"+stringThreadLocal.get());
        }
    };

    thread1.start();
    thread2.start();
    thread3.start();
    System.out.println("main线程调用set方法之前："+stringThreadLocal.get());
    stringThreadLocal.set("main 线程set的值");
    System.out.println("main线程调用set方法之后："+stringThreadLocal.get());
}

可以看到不同线程设置的值在该线程是能够正确的取到。由于Thread的threadLocals变量只能在Thread所在的包下才能够访问，因此不能对该变量进行直接访问以验证设置的值在Thread.currentThread对象里面。但如果你调试以上代码，设置值之后访问Thread.currentThread.threadLocals会看到之前设置的值。其中key为声明的ThreadLocal对象。

ThreadLocal进行参数传递

这算是比较正统的ThreadLocal用法，这可能也是ThreadLocal设计的初衷：用来保存于状态相关的变量，比如访问者的用户信息，事务的事务标识。这里演示一下使用ThreadLocal来传递用户信息，实际上当前流行的大部分权限框架都是使用的ThreadLocal变量来保存用户信息的。

下面是测试代码：

//参数传递测试

    @Test
    public void test02(){
        //参数主要利用ThreadLocal是线程的局部变量，只要在同一个线程中，之前设置的值后面就能取到，从而达到参数值传递的效果。
        //在前面在线程变量中添加值
        stringThreadLocal.set("name");
        paramThreadLocal.set(new HashMap(){
            {
                put("id","1");
                put("name","xiaoTOT");
                put("gender","M");
            }
        });
        testParam();
    }

    private void testParam() {
        //从线程本地变量获取参数
        Map map = paramThreadLocal.get();
        map.forEach((key,value)->{
            System.out.println("key:"+key+" & value="+value);
        });
    }

ThreadLocal改造改造在单例模式中的运用

单例模式的好处无用质疑，可以减少对象的创建。对于那些创建非常费时的对象尤其明显。并且如果能够用单例解决的问题经历使用单例解决，这样能减轻运行时的压力。

对于一个对象倘若没有成员变量，单例非常简单，不用去担心多线程同时对成员变量修改而产生的线程安全问题。
对于一个拥有成员变量的对象使用单例就需要考虑到线程安全问题。多线程访问又可以分为下面两个方面：

a：成员变量需要多线程同步，比如账户对象（ACCOUNT）中的成员变量余额(amount).amount成员变量需要在多线程的访问下保证各个线程保证绝对的同步，即无论什么时候线程内的值都是一样。我们可以通过加同步关键字synchronized,volatile来解决。

b,成员变量不需要线程同步，每个线程访问自己线程内部的对象。比如一个服务类对数据库的链接成员变量，每个线程分配一个连接即可。类似这种场景，我们最简单的方式是使用多例模式来解决。单更好的方式是通过threadLocal来解决。

下面是使用ThreadLocal改造单例模式的示例：

//ThreadLocal在单例模式改造的运用
@Test
public  void test03(){
    //单例模式的好处无用质疑，可以减少对象的创建。对于那些创建非常费时的对象尤其明显。并且如果能够用单例解决的问题经历使用单例解决，这样能减轻运行时的压力。
    //1,对于一个对象倘若没有成员变量，单例非常简单，不用去担心多线程同时对成员变量修改而产生的线程安全问题。
    //2,对于一个拥有成员变量的对象使用单例就需要考虑到线程安全问题。多线程访问又可以分为下面两个方面：
    // a：成员变量需要多线程同步，比如账户对象（ACCOUNT）中的成员变量余额(amount).amount成员变量需要在多线程的访问下保证各个线程保证绝对的同步，即无论什么时候线程内的值都是一样。
    // 我们可以通过加同步关键字synchronized,volatile来解决。
    // b,成员变量不需要线程同步，每个线程访问自己线程内部的对象。比如一个服务类对数据库的链接成员变量，每个线程分配一个连接即可。类似这种场景，我们最简单的方式是使用多例模式来解决。
    //单更好的方式是通过threadLocal来解决。

    //多例模式
    Thread thread = new Thread(){
        @Override
        public void run() {

            DBConnect dbConnect = new DBConnect();
            DemoService demoService = new DemoService();
            demoService.setConnect(dbConnect);
            demoService.doSomeThing();

        }
    };

    Thread thread2 = new Thread(){
        @Override
        public void run() {

            DBConnect dbConnect = new DBConnect();
            DemoService demoService = new DemoService();
            demoService.setConnect(dbConnect);
            demoService.doSomeThing();

        }
    };

    thread.start();
    thread2.start();

    // 单例模式改造
    // 由DemoService构造器可以看出，构造这个对象是非常耗时的。并且还不能使用单例模式，因为DBConnect是不能多线程访问的。遇到这种情况那就使用ThreadLocal来改造吧。
    //如果能修改DemoService源码，修改源码即可。若不能修该源码（比如DemoService是一个三方包）单DemoService不是final的，即可以通过继承修改。

    DemoService demoService1 = new ThreadLocalDemoService();

    Thread threadA = new Thread(){
        @Override
        public void run() {

            demoService1.setConnect(new DBConnect());
            demoService1.doSomeThing();

        }
    };

    Thread threadB = new Thread(){
        @Override
        public void run() {

            demoService1.setConnect(new DBConnect());
            demoService1.doSomeThing();

        }
    };

    threadA.start();
    threadB.start();


}

static class DemoService{

    //这个对象不能线程同时访问，应该是一个线程就建立一个连接到数据库。不同的线程不能使用同一个连接。
    DBConnect connect;

    public DemoService(){
        try {
            Thread.sleep(5l);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
    public void setConnect(DBConnect connect){
        this.connect = connect;
    }


    public void doSomeThing(){
        connect.updateSomeData();
    }
}

//使用ThreadLocal改造成员变量，使其可以使其可以使用单例模式
static class ThreadLocalDemoService extends DemoService {

    ThreadLocal<DBConnect> connectThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public ThreadLocalDemoService() {
        super();
    }



    public void doSomeThing(){
        connectThreadLocal.get().updateSomeData();
    }

    public void setConnect(DBConnect dbConnect){
        connectThreadLocal.set(dbConnect);
    }

}



class DBConnect {
    private String transactionName = Thread.currentThread().getName()+"的事务";

    public void updateSomeData(){
        System.out.println(transactionName + " update some data");
    }

}

其中DemoService中有个成语变量DBConnect connect,由于资源不能同时被连个线程使用，比如socket链接发送数据，或者数据库事务，一个线程不能影响另外一个线程的事务。这个时候我们没有办法只有对DemoService采用多例模式，单由因为DemoService创建会耗费大量时间。类似的例子很多，比如一个对象中，可能只有少数成员变量不能够多线程访问，大多数是能多线程访问的，这时为了一个成员变量去将单例改成多例也是非常糟糕的。这时若我们使用ThreadLocal就能够完美解决。

备注

值得注意的是，ThreadLocal随着当前线程的销毁而销毁，如果程序中采用线程池，在上一次任务运行完之后，记得清掉之前ThreadLocal数据。

引用

实际上学习和使用ThreadLocal之前，也百多过很多ThreadLocal相关的文章。最开始是拜读了学习Spring必学的Java基础知识(6)----ThreadLocal@ITEYE这篇文章，才了解到ThreadLocal这个东西。最好为了详细了解，看到了第二篇文章，并且之前看过的关于ThreadLocal的文章与这篇文章内容基本上都一样，都在讲关于Threadloal为解决线程安全问题提供了新思路，当时被看得一头雾水。最好看到第三篇的帖子。然后结合源代码才对ThreadLocal的本质很好的了解。如果你看完本篇文章还不是非常明白，可以详细参阅第三篇引用，这个帖子的讨论还是非常精彩的，能给你很多启迪作用。需要说明的是第二篇CSDN相关讲解实际上是有问题的。你可以看看文章下方的评论。