Java | ThreadLocal 用法解析【Deprecated】

提示 2021年1月2日

這篇文章是2019年寫的，寫的不好。今年我重新梳理了一遍，你可以直接看：「Java 路線」| ThreadLocal

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前言

  • ThreadLocal是一種無同步的線程安全實現(xiàn)，體現(xiàn)了Thread-Specific Storage模式：即使只有一個入口，內(nèi)部也會為每個線程分配特有的存儲空間。由于線程間沒有共享資源，因此可以實現(xiàn)無鎖線程安全；
  • 這篇文章將總結(jié)ThreadLocal的用法 & 實現(xiàn)細(xì)節(jié)，希望能幫上忙

系列文章

延伸文章

ThreadLocal 思維導(dǎo)圖

目錄

1. ThreadLocal API

ThreadLocal的用法很簡單，ThreadLocal提供了下列的public與protected方法：

ThradlLocal UML類圖

現(xiàn)在我們查看ThreadLocal中與上述幾個方法有關(guān)的代碼，簡化代碼如下：

// ThreadLocal.java

// ThreadLocal構(gòu)造方法里什么都沒做
public ThreadLocal() {
    // do nothing
}

// 定義ThreadLocal變量的初始值
protected T initialValue() {
    // 默認(rèn)的初始值為null
    return null;
}

// 內(nèi)部方法：用于設(shè)置當(dāng)前線程里ThreadLocal變量初始值  
private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    // 其實ThreadLocal的源碼并不是直接調(diào)用set()，但源碼中這部分代碼
    // 就相當(dāng)于調(diào)用set()方法，這是為了防止子類重寫set()造成異常
    set(value);
    return value;
}

// 獲取當(dāng)前線程中ThreadLocal變量的值  
public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    // ThreadLocalMap是什么？稍后介紹
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // 存在匹配的Entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            // 變量的值不為null，返回
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 獲取的值為空，設(shè)置變量的初始值并返回
    return setInitialValue();
}
  
// 設(shè)置當(dāng)前線程中ThreadLocal變量的值
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        // ThreadLocalMap懶初始化，直到設(shè)置值的時候才創(chuàng)建
        createMap(t, value);
}

// 移除當(dāng)前線程中ThreadLocal變量的值
public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

ThreadLocalMap存儲在Thread的屬性中，簡化代碼如下：

// Thread.java

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

// 線程退出之前，會置空threadLocals變量，以便隨后GC
private void exit() {
    // ...
    threadLocals = null;
    // ...
}

分析代碼，可以總結(jié)出方法的用法：

  • 1.get()獲取當(dāng)前線程中ThreadLocal變量的值
    • 不同線程獲取的值互不干擾
    • 如果取值為null，則調(diào)用initialValue()設(shè)置初始值
    1. set()設(shè)置當(dāng)前線程ThreadLocal變量的值
    • 不同線程設(shè)置的值互不干擾，不會相互覆蓋
    1. remove()移除當(dāng)前線程之前設(shè)置在ThreadLocal變量上的值
    • 如果在當(dāng)前線程下次調(diào)用get()之前，還沒有調(diào)用set()設(shè)置新值，則依舊會調(diào)用setInitialValue()重新設(shè)置初始值。
    1. initialValue()子類重寫此方法可以定義ThreadLocal變量的初始值
    • 默認(rèn)的初始值為null

2. 生命周期

總結(jié)一下ThreadLocal的生命周期，如下圖所示：

ThreadLocal生命周期 示意圖

3. 使用案例

我們直接以android.os.Looper.java 中使用ThreadLocal的源碼作為例子：

/frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java

public class Looper {
    // ...
    // 靜態(tài)ThreadLocal變量，所有類實例共享同一個ThreadLocal變量
    static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();

    private static void prepare(boolean quitAllowed) {
        if (sThreadLocal.get() != null) {
            throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
        }
        // 設(shè)置ThreadLocal變量的值
        sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
    }

    public static Looper myLooper() {
        // 獲取ThreadLocal變量的值
        return sThreadLocal.get();
    }

    public static void prepare() {
        prepare(true);
    }
    // ...
}
  • ThreadLocal被聲明為static final變量，泛型參數(shù)為Looper，表示ThreadLocal變量接受Looper類型的值
  • prepare()中調(diào)用ThreadLocal#set()設(shè)置當(dāng)前線程的Looper
  • myLooper()中調(diào)用ThreadLocal#get()獲取當(dāng)前線程的Looper

我們可以畫出Looper中訪問ThreadLocal的Timethreads圖，如下圖所示，不同線程獨占一個Looper變量，線程間不存在共享資源?？梢钥吹?code>ThreadLocal實現(xiàn)了無鎖線程安全，避免了加解鎖造成的上下文切換，體現(xiàn)了空間換時間的思想。

Timethreads圖 - 01

4. 編程規(guī)約

記得嗎？《阿里巴巴Java開發(fā)手冊》中提到過關(guān)于ThreadLocal的編程規(guī)約，如下所示：

  • 5.【強制】SimpleDateFormate是線程不安全的類，一般不要定義為static變量，如果定義為static，必須加鎖，或者使用DateUtils工具類。
    正例：

    private static final ThreadLocal<DataFormat> df = new ThreadLocal<DateFormat>(){
      @Override
      protected DateFormat initialValue(){
              return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
      }
};

    說明：如果是JDK8的應(yīng)用，可以使用Instant代替Date，LocalDateTime代替Calendar，DateTimeFormatter代替SimpleDateFormat，官方給出的解釋：simple beautiful strong immutable thread-safe.

  • 15.【參考】（原文過于啰嗦，以下為筆者轉(zhuǎn)述）ThreadLocal變量建議使用static修飾，可以保證變量在類初始化時創(chuàng)建，所有類實例可以共享同一個靜態(tài)變量。

    注意到了嗎？在文章開頭的Looper.java源碼中，ThreadLocal變量就是使用static修飾的

5. 使用場景

  • 以空間換時間實現(xiàn)無鎖線程安全

    ThreadLocal相對于Synchronized等互斥鎖避免了上下文切換損耗，有助于提高吞吐量

  • 線程級別的單例模式

    一般的單例對象是對整個進(jìn)程可見的，假如這個對象不是線程安全的（比如SimpleDateFormat），就可以很方便的使用ThreadLocal實現(xiàn)線程級別的單例，保證線程安全

  • 共享參數(shù)

    如果一個模塊有非常多地方需要使用同一個變量，相比于在每個方法中重復(fù)傳遞同一個參數(shù)，使用ThreadLocal作為一個全局變量也許是另一種選擇方式。

看到這里，相信你已經(jīng)掌握了ThreadLocal的用法，下一篇文章將深入ThreadLocal的核心，探討數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ThreadLocalMap的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，歡迎關(guān)注彭旭銳的簡書！

參考

  • ThreadLocal.java — Josh Bloch and Doug Lea
  • 《深入理解Java虛擬機 — JVM高級特性與最佳實踐》 周志明 著
  • 《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》 方騰飛 魏鵬 程曉明 著
  • 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析 — Java語言描述》 [美]Mark Allen Weiss 著
  • 《阿里巴巴Java開發(fā)手冊》 楊冠寶 編著

創(chuàng)作不易，你的「三連」是丑丑最大的動力，我們下次見！

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