多線程與一致性

為了提高我們程序的性能，很多時(shí)候我們都會(huì)使用多線程以解決各種場(chǎng)景，但隨之而來(lái)的是多線程帶來(lái)的數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題該如何解決。

如何解決一致性問(wèn)題？

• 排隊(duì)：如果多個(gè)線程操作‘同一份數(shù)據(jù)’，那就排個(gè)隊(duì)吧，一個(gè)一個(gè)來(lái)，這樣后面一個(gè)線程總能得到最新的修改值，例如操作系統(tǒng)中的鎖，管程，屏障等都是這種排隊(duì)機(jī)制。<ins style="box-sizing: border-box;">缺點(diǎn)是：性能低。</ins>
• 投票：投票的機(jī)制就是多個(gè)人同時(shí)決策一件事，這個(gè)就涉及到了算法，往往會(huì)產(chǎn)生很多其他問(wèn)題，比如欺詐
• 避免：直觀意思就是避免多個(gè)線程之間產(chǎn)生一致性問(wèn)題，那該如何去做呢？例如git，ThreadLocal正是采用的這種避免的方式來(lái)完成多線程的執(zhí)行

ThreadLocal定義：

定義：ThreadLocal提供了線程局部變量，一個(gè)線程局部變量在多個(gè)線程中分別由獨(dú)立的值（副本）。

提問(wèn)：既然是每個(gè)線程獨(dú)有的，為什么不直接在調(diào)用線程的時(shí)候，在相應(yīng)的線程方法里聲明這個(gè)局部變量呢？

答：同一個(gè)線程可能會(huì)調(diào)用到很多不同的類和方法，這樣就要在不同的地方用到這個(gè)變量，自己去實(shí)現(xiàn)，代價(jià)太大，用ThreadLocal更加方便，且線程安全。

線程模型

線程模型

對(duì)應(yīng)每個(gè)線程來(lái)說(shuō)都有自己的獨(dú)占數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)事進(jìn)行來(lái)分配的，每個(gè)線程都有一個(gè)ThreadLocalMap對(duì)象，它本身是一個(gè)hash表，里面會(huì)放一些線程的局部變量，而ThreadLocal的核心也是這個(gè)ThreadLocalMap。

4種核心應(yīng)用場(chǎng)景

1.資源持有：

例如有三個(gè)不同的類，在一次web請(qǐng)求中調(diào)用這三個(gè)類，但是用戶是一個(gè)，那么用戶數(shù)據(jù)就可以保存在一個(gè)線程里。 如圖：

資源持有

2.線程一致：

例如JDBC事務(wù)，我們每次對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作都會(huì)走getConnection，jdbc保證只要你是同一個(gè)線程過(guò)來(lái)的請(qǐng)求，不管是哪一個(gè)part，都返回的是同一個(gè)連接，就是使用ThreadLocal來(lái)做的，達(dá)到維護(hù)一致性的目的。Mybatis使用SqlSessionManager保證了我們同一個(gè)線程取出來(lái)的連接總是同一個(gè)。它是如何做到的呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是內(nèi)部使用了一個(gè)ThreadLocal。

線程 一致

3.線程安全：

如果一個(gè)線程的調(diào)用鏈路比較長(zhǎng)，中間出現(xiàn)異常，那我們可以把出錯(cuò)信息放在ThreadLocal里，然后在后續(xù)的鏈路中使用這個(gè)值，可以達(dá)到多線程在處理這個(gè)場(chǎng)景的時(shí)候保證線程安全。

線程安全

4.并發(fā)計(jì)算：

例如一個(gè)大的任務(wù)，拆分成多個(gè)小任務(wù)，分別計(jì)算，最后再進(jìn)行結(jié)果匯總，那么我們可以把每個(gè)線程的計(jì)算結(jié)果放進(jìn)ThreadLocal中，最后進(jìn)行匯總計(jì)算。 實(shí)現(xiàn)案例：比如需要統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)某個(gè)接口的調(diào)用量

并發(fā)計(jì)算

線程不安全實(shí)現(xiàn)：

@RestController
@RequestMapping("orders")
public class OrderController {

    private Integer count = 0;

    @GetMapping("/visit")
    public Integer visit() throws InterruptedException {
        count++;
        Thread.sleep(100);
        return 0;
    }

    @GetMapping("/stat")
    public Integer stat() {
        return count;
    }
}

count++操作，首先我們是從內(nèi)存里面讀取原來(lái)的值，放在了線程本地內(nèi)存里。然后進(jìn)行 +1 操作，再寫回到內(nèi)存里。這個(gè)時(shí)候如果多個(gè)線程操作的話，有可能線程A這邊還沒(méi)來(lái)得及寫，線程B那邊讀取的是原來(lái)的值。這樣子的話就會(huì)造成數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。結(jié)果就會(huì)比預(yù)期的小。 結(jié)果明顯是count的值與我們所期望的值不一致

如何解決？

當(dāng)然方法很多，比如加鎖，但今天我們要用ThreadLocal實(shí)現(xiàn)

@RestController
@RequestMapping("orders")
public class OrderController {

    private static final ThreadLocal<Integer> TL = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

    @GetMapping("/visit")
    public Integer visit() throws InterruptedException {
        Thread.sleep(100);
        TL.set(TL.get() + 1);
        return 0;
    }

    @GetMapping("/stat")
    public Integer stat() {
        return TL.get();
    }
}

這樣即可達(dá)到我們的計(jì)數(shù)目的。

還有很多方法可以實(shí)現(xiàn)，比如我們經(jīng)常用的原子類Automatic或者synchronized等，他們的實(shí)現(xiàn)思想不同，加鎖和原子類使用的是【排隊(duì)】思想，而ThreadLocal使用的是【避免】思想，效率更高。

刮痧ThreadLocal源碼

API： 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()。

1.set：

public void set(T value) {
    //(1)獲取當(dāng)前線程（調(diào)用者線程）
    Thread t = Thread.currentThread();
    //(2)以當(dāng)前線程作為key值，去查找對(duì)應(yīng)的線程變量，找到對(duì)應(yīng)的map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //(3)如果map不為null，就直接添加本地變量，key為當(dāng)前線程，值為添加的本地變量值
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    //(4)如果map為null，說(shuō)明首次添加，需要首先創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的map
    else
        createMap(t, value);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals; //獲取線程自己的變量threadLocals，并綁定到當(dāng)前調(diào)用線程的成員變量threadLocals上
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {
     t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
 }
 createMap方法不僅創(chuàng)建了threadLocals，同時(shí)也將要添加的本地變量值添加到了threadLocals中。

先拿到當(dāng)前的線程，然后通過(guò)它去拿到一個(gè)Map，如果這個(gè)Map存在，就把value塞進(jìn)去，否則就創(chuàng)建一個(gè)新的。

2.get：

public T get() {
    //(1)獲取當(dāng)前線程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //(2)獲取當(dāng)前線程的threadLocals變量
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //(3)如果threadLocals變量不為null，就可以在map中查找到本地變量的值
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    //(4)執(zhí)行到此處，threadLocals為null，調(diào)用該更改初始化當(dāng)前線程的threadLocals變量
    return setInitialValue();
}

private T setInitialValue() {
    //protected T initialValue() {return null;}
    T value = initialValue();
    //獲取當(dāng)前線程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //以當(dāng)前線程作為key值，去查找對(duì)應(yīng)的線程變量，找到對(duì)應(yīng)的map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //如果map不為null，就直接添加本地變量，key為當(dāng)前線程，值為添加的本地變量值
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    //如果map為null，說(shuō)明首次添加，需要首先創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的map
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

先通過(guò)getMap方法拿到當(dāng)前線程對(duì)應(yīng)的Map，然后從里面取出value。如果沒(méi)有value，就調(diào)用ThreadLocal提供的初始化方法，初始化一個(gè)值。

3.remove：

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null) {
        m.remove(this);
    }
}

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    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)]) {
        if (e.get() == key) {
            e.clear();
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

我們?cè)陂_發(fā)一個(gè)多線程的程序時(shí)，往往會(huì)使用線程池。而線程池的功能就是線程的復(fù)用。那如果線程池和ThreadLocal在一起就可能會(huì)造成問(wèn)題，所以使用完ThreadLocal，顯式調(diào)用一下remove方法。

ThreadLocal不支持繼承性，ThreadLocal類是不能提供子線程訪問(wèn)父線程的本地變量的，而InheritableThreadLocal類則可以做到這個(gè)功能

public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {

    protected T childValue(T parentValue) {
        return parentValue;
    }

    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
       return t.inheritableThreadLocals;
    }

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
}

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