前言
要了解ThreadLocal，首先搞清楚ThreadLocal 是什么？是用來解決什么問題的？
ThreadLocal 是線程的局部變量， 是每一個(gè)線程所單獨(dú)持有的，其他線程不能對(duì)其進(jìn)行訪問， 通常是類中的 private static 字段，是對(duì)該字段初始值的一個(gè)拷貝，它們希望將狀態(tài)與某一個(gè)線程（例如，用戶 ID 或事務(wù) ID）相關(guān)聯(lián)
我們知道有時(shí)候一個(gè)對(duì)象的變量會(huì)被多個(gè)線程所訪問，這時(shí)就會(huì)有線程安全問題，當(dāng)然我們可以使用synchorinized 關(guān)鍵字來為此變量加鎖，進(jìn)行同步處理，從而限制只能有一個(gè)線程來使用此變量，但是加鎖會(huì)大大影響程序執(zhí)行效率，此外我們還可以使用ThreadLocal來解決對(duì)某一個(gè)變量的訪問沖突問題。
當(dāng)使用ThreadLocal維護(hù)變量的時(shí)候 為每一個(gè)使用該變量的線程提供一個(gè)獨(dú)立的變量副本，即每個(gè)線程內(nèi)部都會(huì)有一個(gè)該變量，這樣同時(shí)多個(gè)線程訪問該變量并不會(huì)彼此相互影響，因此他們使用的都是自己從內(nèi)存中拷貝過來的變量的副本， 這樣就不存在線程安全問題，也不會(huì)影響程序的執(zhí)行性能。
使用場(chǎng)景
ThreadLocal，很多地方叫做線程本地變量，也有些地方叫做線程本地存儲(chǔ)，其實(shí)意思差不多?？赡芎芏嗯笥讯贾繲hreadLocal為變量在每個(gè)線程中都創(chuàng)建了一個(gè)副本，那么每個(gè)線程可以訪問自己內(nèi)部的副本變量。
這句話從字面上看起來很容易理解，但是真正理解并不是那么容易。
我們還是先來看一個(gè)例子：
class ConnectionManager {
private static Connection connect = null;
public static Connection openConnection() {
if(connect == null){
connect = DriverManager.getConnection();
}
return connect;
}
public static void closeConnection() {
if(connect!=null)
connect.close();
}
}
假設(shè)有這樣一個(gè)數(shù)據(jù)庫鏈接管理類，這段代碼在單線程中使用是沒有任何問題的，但是如果在多線程中使用呢？很顯然，在多線程中使用會(huì)存在線程安全問題：
- 第一，這里面的2個(gè)方法都沒有進(jìn)行同步，很可能在openConnection方法中會(huì)多次創(chuàng)建connect；
- 第二，由于connect是共享變量，那么必然在調(diào)用connect的地方需要使用到同步來保障線程安全，因?yàn)楹芸赡芤粋€(gè)線程在使用connect進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作，而另外一個(gè)線程調(diào)用closeConnection關(guān)閉鏈接。
所以出于線程安全的考慮，必須將這段代碼的兩個(gè)方法進(jìn)行同步處理，并且在調(diào)用connect的地方需要進(jìn)行同步處理。
這樣將會(huì)大大影響程序執(zhí)行效率，因?yàn)橐粋€(gè)線程在使用connect進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作的時(shí)候，其他線程只有等待。
那么大家來仔細(xì)分析一下這個(gè)問題，這地方到底需不需要將connect變量進(jìn)行共享？事實(shí)上，是不需要的。假如每個(gè)線程中都有一個(gè)connect變量，各個(gè)線程之間對(duì)connect變量的訪問實(shí)際上是沒有依賴關(guān)系的，即一個(gè)線程不需要關(guān)心其他線程是否對(duì)這個(gè)connect進(jìn)行了修改的。
到這里，可能會(huì)有朋友想到，既然不需要在線程之間共享這個(gè)變量，可以直接這樣處理，在每個(gè)需要使用數(shù)據(jù)庫連接的方法中具體使用時(shí)才創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫鏈接，然后在方法調(diào)用完畢再釋放這個(gè)連接。比如下面這樣：
class ConnectionManager {
private Connection connect = null;
public Connection openConnection() {
if(connect == null){
connect = DriverManager.getConnection();
}
return connect;
}
public void closeConnection() {
if(connect!=null)
connect.close();
}
}
class Dao{
public void insert() {
ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();
Connection connection = connectionManager.openConnection();
//使用connection進(jìn)行操作
connectionManager.closeConnection();
}
}
這樣處理確實(shí)也沒有任何問題，由于每次都是在方法內(nèi)部創(chuàng)建的連接，那么線程之間自然不存在線程安全問題。但是這樣會(huì)有一個(gè)致命的影響：導(dǎo)致服務(wù)器壓力非常大，并且嚴(yán)重影響程序執(zhí)行性能。由于在方法中需要頻繁地開啟和關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接，這樣不盡嚴(yán)重影響程序執(zhí)行效率，還可能導(dǎo)致服務(wù)器壓力巨大。
那么這種情況下使用ThreadLocal是再適合不過的了，因?yàn)門hreadLocal在每個(gè)線程中對(duì)該變量會(huì)創(chuàng)建一個(gè)副本，即每個(gè)線程內(nèi)部都會(huì)有一個(gè)該變量，且在線程內(nèi)部任何地方都可以使用，線程之間互不影響，這樣一來就不存在線程安全問題，也不會(huì)嚴(yán)重影響程序執(zhí)行性能。
但是要注意，雖然ThreadLocal能夠解決上面說的問題，但是由于在每個(gè)線程中都創(chuàng)建了副本，所以要考慮它對(duì)資源的消耗，比如內(nèi)存的占用會(huì)比不使用ThreadLocal要大。
深入解析
在上面談到了對(duì)ThreadLocal的一些理解，那我們下面來看一下具體ThreadLocal是如何實(shí)現(xiàn)的。
先了解一下ThreadLocal類提供的幾個(gè)方法：
public T get() { }
public void set(T value) { }
public void remove() { }
protected T initialValue() { }
get()方法是用來獲取ThreadLocal在當(dāng)前線程中保存的變量副本，set()用來設(shè)置當(dāng)前線程中變量的副本，remove()用來移除當(dāng)前線程中變量的副本，initialValue()是一個(gè)protected方法，一般是用來在使用時(shí)進(jìn)行重寫的，它是一個(gè)延遲加載方法，下面會(huì)詳細(xì)說明。
首先我們來看一下ThreadLocal類是如何為每個(gè)線程創(chuàng)建一個(gè)變量的副本的。
先看下get方法的實(shí)現(xiàn)：
/**
* 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();
}
第一句是取得當(dāng)前線程，然后通過getMap(t)方法獲取到一個(gè)map，map的類型為ThreadLocalMap。然后接著下面獲取到< key,value >鍵值對(duì)，注意這里獲取鍵值對(duì)傳進(jìn)去的是 this，而不是當(dāng)前線程t。
如果獲取成功，則返回value值。
如果map為空，則調(diào)用setInitialValue方法返回value。
我們上面的每一句來仔細(xì)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;
}
可能大家沒有想到的是，在getMap中，是調(diào)用當(dāng)期線程t，返回當(dāng)前線程t中的一個(gè)成員變量threadLocals。
那么我們繼續(xù)取Thread類中取看一下成員變量threadLocals是什么：
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
實(shí)際上就是一個(gè)ThreadLocalMap，這個(gè)類型是ThreadLocal類的一個(gè)內(nèi)部類，我們繼續(xù)取看ThreadLocalMap的實(shí)現(xiàn)：
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繼承了WeakReference，并且使用ThreadLocal作為鍵值。
然后再繼續(xù)看setInitialValue方法的具體實(shí)現(xiàn)：
/**
* 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不為空，就設(shè)置鍵值對(duì)，為空，再創(chuàng)建Map，看一下createMap的實(shí)現(xiàn)：
/**
* 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
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
至此，可能大部分朋友已經(jīng)明白了ThreadLocal是如何為每個(gè)線程創(chuàng)建變量的副本的：
首先，在每個(gè)線程Thread內(nèi)部有一個(gè)ThreadLocal.ThreadLocalMap類型的成員變量threadLocals，這個(gè)threadLocals就是用來存儲(chǔ)實(shí)際的變量副本的，鍵值為當(dāng)前ThreadLocal變量，value為變量副本（即T類型的變量）。
初始時(shí)，在Thread里面，threadLocals為空，當(dāng)通過ThreadLocal變量調(diào)用get()方法或者set()方法，就會(huì)對(duì)Thread類中的threadLocals進(jìn)行初始化，并且以當(dāng)前ThreadLocal變量為鍵值，以ThreadLocal要保存的副本變量為value，存到threadLocals。
然后在當(dāng)前線程里面，如果要使用副本變量，就可以通過get方法在threadLocals里面查找。
下面通過一個(gè)例子來證明通過ThreadLocal能達(dá)到在每個(gè)線程中創(chuàng)建變量副本的效果：
public class Test {
ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();
ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();
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 Test test = new Test();
test.set();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
test.set();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
};
};
thread1.start();
thread1.join();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
}
}
這段代碼的輸出結(jié)果為：
1
main
8
Thread-0
1
main
從這段代碼的輸出結(jié)果可以看出，在main線程中和thread1線程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一樣。最后一次在main線程再次打印副本值是為了證明在main線程中和thread1線程中的副本值確實(shí)是不同的。
總結(jié)一下：
實(shí)際的通過ThreadLocal創(chuàng)建的副本是存儲(chǔ)在每個(gè)線程自己的threadLocals中的；
為何threadLocals的類型ThreadLocalMap的鍵值為ThreadLocal對(duì)象，因?yàn)槊總€(gè)線程中可有多個(gè)threadLocal變量，就像上面代碼中的longLocal和stringLocal；
在進(jìn)行g(shù)et之前，必須先set，否則會(huì)報(bào)空指針異常；
如果想在get之前不需要調(diào)用set就能正常訪問的話，必須重寫initialValue()方法。
因?yàn)樵谏厦娴拇a分析過程中，我們發(fā)現(xiàn)如果沒有先set的話，即在map中查找不到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)，則會(huì)通過調(diào)用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一個(gè)語句是T value = initialValue()， 而默認(rèn)情況下，initialValue方法返回的是null。
/**
* Returns the current thread's "initial value" for this
* thread-local variable. This method will be invoked the first
* time a thread accesses the variable with the {@link #get}
* method, unless the thread previously invoked the {@link #set}
* method, in which case the {@code initialValue} method will not
* be invoked for the thread. Normally, this method is invoked at
* most once per thread, but it may be invoked again in case of
* subsequent invocations of {@link #remove} followed by {@link #get}.
*
* <p>This implementation simply returns {@code null}; if the
* programmer desires thread-local variables to have an initial
* value other than {@code null}, {@code ThreadLocal} must be
* subclassed, and this method overridden. Typically, an
* anonymous inner class will be used.
*
* @return the initial value for this thread-local
*/
protected T initialValue() {
return null;
}
ThreadLocal的應(yīng)用場(chǎng)景
最常見的ThreadLocal使用場(chǎng)景為 用來解決 數(shù)據(jù)庫連接、Session管理等。
如：
private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder
= new ThreadLocal<Connection>() {
public Connection initialValue() {
return DriverManager.getConnection(DB_URL);
}
};
public static Connection getConnection() {
return connectionHolder.get();
}
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;
}
PS
關(guān)于ThreadLocalMap< ThreadLocal, Object >弱引用問題：
當(dāng)線程沒有結(jié)束，但是ThreadLocal已經(jīng)被回收，則可能導(dǎo)致線程中存在ThreadLocalMap< null, Object >的鍵值對(duì)，造成內(nèi)存泄露。（ThreadLocal被回收，ThreadLocal關(guān)聯(lián)的線程共享變量還存在）。
雖然ThreadLocal的get，set方法可以清除ThreadLocalMap中key為null的value，但是get，set方法在內(nèi)存泄露后并不會(huì)必然調(diào)用，所以為了防止此類情況的出現(xiàn)，我們有兩種手段。
1、使用完線程共享變量后，顯示調(diào)用ThreadLocalMap.remove方法清除線程共享變量；
2、JDK建議ThreadLocal定義為private static，這樣ThreadLocal的弱引用問題則不存在了。
總結(jié)
- 每個(gè)線程都有一個(gè)ThreadLocalMap 類型的 threadLocals 屬性。
- ThreadLocalMap 類相當(dāng)于一個(gè)Map，key 是 ThreadLocal 本身，value 就是我們的值。
- 當(dāng)我們通過 threadLocal.set(new Integer(123)); ，我們就會(huì)在這個(gè)線程中的 threadLocals 屬性中放入一個(gè)鍵值對(duì)，key 是 這個(gè) threadLocal.set(new Integer(123))的threadlocal，value 就是值new Integer(123)。
- 當(dāng)我們通過 threadlocal.get() 方法的時(shí)候，首先會(huì)根據(jù)這個(gè)線程得到這個(gè)線程的 threadLocals 屬性，然后由于這個(gè)屬性放的是鍵值對(duì)，我們就可以根據(jù)鍵 threadlocal 拿到值。 注意，這時(shí)候這個(gè)鍵 threadlocal 和 我們 set 方法的時(shí)候的那個(gè)鍵 threadlocal 是一樣的，所以我們能夠拿到相同的值。
- ThreadLocalMap 的get/set/remove方法跟HashMap的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)都基本一樣，通過 "key.threadLocalHashCode & (table.length - 1)" 運(yùn)算式計(jì)算得到我們想要找的索引位置，如果該索引位置的鍵值對(duì)不是我們要找的，則通過nextIndex方法計(jì)算下一個(gè)索引位置，直到找到目標(biāo)鍵值對(duì)或者為空。
- hash沖突：在HashMap中相同索引位置的元素以鏈表形式保存在同一個(gè)索引位置；而在ThreadLocalMap中，沒有使用鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是將（當(dāng)前的索引位置+1）對(duì)length取模的結(jié)果作為相同索引元素的位置：源碼中的nextIndex方法，可以表達(dá)成如下公式：如果i為當(dāng)前索引位置，則下一個(gè)索引位置 = (i + 1 < len) ? i + 1 : 0。
