ThreadLocal是什么
早在JDK 1.2的版本中就提供Java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal為解決多線程程序的并發(fā)問題提供了一種新的思路。使用這個(gè)工具類可以很簡(jiǎn)潔地編寫出優(yōu)美的多線程程序。
當(dāng)使用ThreadLocal維護(hù)變量時(shí)，ThreadLocal為每個(gè)使用該變量的線程提供獨(dú)立的變量副本，所以每一個(gè)線程都可以獨(dú)立地改變自己的副本，而不會(huì)影響其它線程所對(duì)應(yīng)的副本。
從線程的角度看，目標(biāo)變量就象是線程的本地變量，這也是類名中“Local”所要表達(dá)的意思。
所以，在Java中編寫線程局部變量的代碼相對(duì)來(lái)說要笨拙一些，因此造成線程局部變量沒有在Java開發(fā)者中得到很好的普及。
ThreadLocal的接口方法
ThreadLocal類接口很簡(jiǎn)單，只有4個(gè)方法，我們先來(lái)了解一下：
void set(Object value)設(shè)置當(dāng)前線程的線程局部變量的值。
public Object get()該方法返回當(dāng)前線程所對(duì)應(yīng)的線程局部變量。
public void remove()將當(dāng)前線程局部變量的值刪除，目的是為了減少內(nèi)存的占用，該方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，當(dāng)線程結(jié)束后，對(duì)應(yīng)該線程的局部變量將自動(dòng)被垃圾回收，所以顯式調(diào)用該方法清除線程的局部變量并不是必須的操作，但它可以加快內(nèi)存回收的速度。
protected Object initialValue()返回該線程局部變量的初始值，該方法是一個(gè)protected的方法，顯然是為了讓子類覆蓋而設(shè)計(jì)的。這個(gè)方法是一個(gè)延遲調(diào)用方法，在線程第1次調(diào)用get()或set(Object)時(shí)才執(zhí)行，并且僅執(zhí)行1次。ThreadLocal中的缺省實(shí)現(xiàn)直接返回一個(gè)null。
值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已經(jīng)支持泛型，該類的類名已經(jīng)變?yōu)門hreadLocal<T>。API方法也相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整，新版本的API方法分別是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。
ThreadLocal是如何做到為每一個(gè)線程維護(hù)變量的副本的呢？其實(shí)實(shí)現(xiàn)的思路很簡(jiǎn)單：在ThreadLocal類中有一個(gè)Map，用于存儲(chǔ)每一個(gè)線程的變量副本，Map中元素的鍵為線程對(duì)象，而值對(duì)應(yīng)線程的變量副本。我們自己就可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)版本：
package com.test;
public class TestNum {
// ①通過匿名內(nèi)部類覆蓋ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {
public Integer initialValue() {
return 0;
}
};
// ②獲取下一個(gè)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個(gè)線程共享sn，各自產(chǎn)生序列號(hào)
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每個(gè)線程打出3個(gè)序列值
System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> sn["
+ sn.getNextNum() + "]");
}
}
}
}
通常我們通過匿名內(nèi)部類的方式定義ThreadLocal的子類，提供初始的變量值，如例子中①處所示。TestClient線程產(chǎn)生一組序列號(hào)，在③處，我們生成3個(gè)TestClient，它們共享同一個(gè)TestNum實(shí)例。運(yùn)行以上代碼，在控制臺(tái)上輸出以下的結(jié)果：
thread[Thread-0] --> sn[1]thread[Thread-1] --> sn[1]thread[Thread-2] --> sn[1]thread[Thread-1] --> sn[2]thread[Thread-0] --> sn[2]thread[Thread-1] --> sn[3]thread[Thread-2] --> sn[2]thread[Thread-0] --> sn[3]thread[Thread-2] --> sn[3]
考察輸出的結(jié)果信息，我們發(fā)現(xiàn)每個(gè)線程所產(chǎn)生的序號(hào)雖然都共享同一個(gè)TestNum實(shí)例，但它們并沒有發(fā)生相互干擾的情況，而是各自產(chǎn)生獨(dú)立的序列號(hào)，這是因?yàn)槲覀兺ㄟ^ThreadLocal為每一個(gè)線程提供了單獨(dú)的副本。
Thread同步機(jī)制的比較
ThreadLocal和線程同步機(jī)制相比有什么優(yōu)勢(shì)呢？ThreadLocal和線程同步機(jī)制都是為了解決多線程中相同變量的訪問沖突問題。
在同步機(jī)制中，通過對(duì)象的鎖機(jī)制保證同一時(shí)間只有一個(gè)線程訪問變量。這時(shí)該變量是多個(gè)線程共享的，使用同步機(jī)制要求程序慎密地分析什么時(shí)候?qū)ψ兞窟M(jìn)行讀寫，什么時(shí)候需要鎖定某個(gè)對(duì)象，什么時(shí)候釋放對(duì)象鎖等繁雜的問題，程序設(shè)計(jì)和編寫難度相對(duì)較大。
而ThreadLocal則從另一個(gè)角度來(lái)解決多線程的并發(fā)訪問。ThreadLocal會(huì)為每一個(gè)線程提供一個(gè)獨(dú)立的變量副本，從而隔離了多個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)的訪問沖突。因?yàn)槊恳粋€(gè)線程都擁有自己的變量副本，從而也就沒有必要對(duì)該變量進(jìn)行同步了。ThreadLocal提供了線程安全的共享對(duì)象，在編寫多線程代碼時(shí)，可以把不安全的變量封裝進(jìn)ThreadLocal。
由于ThreadLocal中可以持有任何類型的對(duì)象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object對(duì)象，需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。但JDK 5.0通過泛型很好的解決了這個(gè)問題，在一定程度地簡(jiǎn)化ThreadLocal的使用，代碼清單 9 2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。
概括起來(lái)說，對(duì)于多線程資源共享的問題，同步機(jī)制采用了“以時(shí)間換空間”的方式，而ThreadLocal采用了“以空間換時(shí)間”的方式。前者僅提供一份變量，讓不同的線程排隊(duì)訪問，而后者為每一個(gè)線程都提供了一份變量，因此可以同時(shí)訪問而互不影響。
spring使用ThreadLocal解決線程安全問題我們知道在一般情況下，只有無(wú)狀態(tài)的Bean才可以在多線程環(huán)境下共享，在Spring中，絕大部分Bean都可以聲明為singleton作用域。就是因?yàn)镾pring對(duì)一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非線程安全狀態(tài)采用ThreadLocal進(jìn)行處理，讓它們也成為線程安全的狀態(tài)，因?yàn)橛袪顟B(tài)的Bean就可以在多線程中共享了。
一般的Web應(yīng)用劃分為展現(xiàn)層、服務(wù)層和持久層三個(gè)層次，在不同的層中編寫對(duì)應(yīng)的邏輯，下層通過接口向上層開放功能調(diào)用。在一般情況下，從接收請(qǐng)求到返回響應(yīng)所經(jīng)過的所有程序調(diào)用都同屬于一個(gè)線程，如圖9?2所示：
同一線程貫通三層這樣你就可以根據(jù)需要，將一些非線程安全的變量以ThreadLocal存放，在同一次請(qǐng)求響應(yīng)的調(diào)用線程中，所有關(guān)聯(lián)的對(duì)象引用到的都是同一個(gè)變量。
下面的實(shí)例能夠體現(xiàn)Spring對(duì)有狀態(tài)Bean的改造思路：
代碼清單3 TestDao：非線程安全
package com.test;
import java.sql.Connection;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Statement;
public class TestDao {
private Connection conn;// ①一個(gè)非線程安全的變量
public void addTopic() throws SQLException {
Statement stat = conn.createStatement();// ②引用非線程安全變量
// …
}
}
由于①處的conn是成員變量，因?yàn)閍ddTopic()方法是非線程安全的，必須在使用時(shí)創(chuàng)建一個(gè)新TopicDao實(shí)例（非singleton）。下面使用ThreadLocal對(duì)conn這個(gè)非線程安全的“狀態(tài)”進(jìn)行改造：
代碼清單4 TestDao：線程安全
package com.test;
import java.sql.Connection;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Statement;
public class TestDaoNew {
// ①使用ThreadLocal保存Connection變量
private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();
public static Connection getConnection() {
// ②如果connThreadLocal沒有本線程對(duì)應(yīng)的Connection創(chuàng)建一個(gè)新的Connection，
// 并將其保存到線程本地變量中。
if (connThreadLocal.get() == null) {
Connection conn = getConnection();
connThreadLocal.set(conn);
return conn;
} else {
return connThreadLocal.get();// ③直接返回線程本地變量
}
}
public void addTopic() throws SQLException {
// ④從ThreadLocal中獲取線程對(duì)應(yīng)的Connection
Statement stat = getConnection().createStatement();
}
}
不同的線程在使用TopicDao時(shí)，先判斷connThreadLocal.get()是否是null，如果是null，則說明當(dāng)前線程還沒有對(duì)應(yīng)的Connection對(duì)象，這時(shí)創(chuàng)建一個(gè)Connection對(duì)象并添加到本地線程變量中；如果不為null，則說明當(dāng)前的線程已經(jīng)擁有了Connection對(duì)象，直接使用就可以了。這樣，就保證了不同的線程使用線程相關(guān)的Connection，而不會(huì)使用其它線程的Connection。因此，這個(gè)TopicDao就可以做到singleton共享了。
當(dāng)然，這個(gè)例子本身很粗糙，將Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多個(gè)方法共享Connection時(shí)不發(fā)生線程安全問題，但無(wú)法和其它DAO共用同一個(gè)Connection，要做到同一事務(wù)多DAO共享同一Connection，必須在一個(gè)共同的外部類使用ThreadLocal保存Connection。
ConnectionManager.java
package com.test;
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;
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);
}
}
java.lang.ThreadLocal<T>的具體實(shí)現(xiàn)
那么到底ThreadLocal類是如何實(shí)現(xiàn)這種“為每個(gè)線程提供不同的變量拷貝”的呢？先來(lái)看一下ThreadLocal的set()方法的源碼是如何實(shí)現(xiàn)的：
/**
* 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);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
在這個(gè)方法內(nèi)部我們看到，首先通過getMap(Thread t)方法獲取一個(gè)和當(dāng)前線程相關(guān)的ThreadLocalMap，然后將變量的值設(shè)置到這個(gè)ThreadLocalMap對(duì)象中，當(dāng)然如果獲取到的ThreadLocalMap對(duì)象為空，就通過createMap方法創(chuàng)建。線程隔離的秘密，就在于ThreadLocalMap這個(gè)類。ThreadLocalMap是ThreadLocal類的一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類，它實(shí)現(xiàn)了鍵值對(duì)的設(shè)置和獲?。▽?duì)比Map對(duì)象來(lái)理解），每個(gè)線程中都有一個(gè)獨(dú)立的ThreadLocalMap副本，它所存儲(chǔ)的值，只能被當(dāng)前線程讀取和修改。ThreadLocal類通過操作每一個(gè)線程特有的ThreadLocalMap副本，從而實(shí)現(xiàn)了變量訪問在不同線程中的隔離。因?yàn)槊總€(gè)線程的變量都是自己特有的，完全不會(huì)有并發(fā)錯(cuò)誤。還有一點(diǎn)就是，ThreadLocalMap存儲(chǔ)的鍵值對(duì)中的鍵是this對(duì)象指向的ThreadLocal對(duì)象，而值就是你所設(shè)置的對(duì)象了。為了加深理解，我們接著看上面代碼中出現(xiàn)的getMap和createMap方法的實(shí)現(xiàn)：
```java
/**
* 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;
}
/**
* 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
* @param map the map to store.
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
接下來(lái)再看一下ThreadLocal類中的get()方法:
/**
* 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)
return (T)e.value;
}
return setInitialValue();
}
再來(lái)看setInitialValue()方法：
* 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;
}
獲取和當(dāng)前線程綁定的值時(shí)，ThreadLocalMap對(duì)象是以this指向的ThreadLocal對(duì)象為鍵進(jìn)行查找的，這當(dāng)然和前面set()方法的代碼是相呼應(yīng)的?！ ∵M(jìn)一步地，我們可以創(chuàng)建不同的ThreadLocal實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)變量在不同線程間的訪問隔離，為什么可以這么做？因?yàn)椴煌腡hreadLocal對(duì)象作為不同鍵，當(dāng)然也可以在線程的ThreadLocalMap對(duì)象中設(shè)置不同的值了。通過ThreadLocal對(duì)象，在多線程中共享一個(gè)值和多個(gè)值的區(qū)別，就像你在一個(gè)HashMap對(duì)象中存儲(chǔ)一個(gè)鍵值對(duì)和多個(gè)鍵值對(duì)一樣，僅此而已。
小結(jié)
ThreadLocal是解決線程安全問題一個(gè)很好的思路，它通過為每個(gè)線程提供一個(gè)獨(dú)立的變量副本解決了變量并發(fā)訪問的沖突問題。在很多情況下，ThreadLocal比直接使用synchronized同步機(jī)制解決線程安全問題更簡(jiǎn)單，更方便，且結(jié)果程序擁有更高的并發(fā)性。
ConnectionManager.java
package com.test;
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;
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);
}
}
