并发问题的新思路——ThreadLocal

• ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。

• Synchronized用于线程间的数据共享，而ThreadLocal则用于线程间的数据隔离。

从Handler中进入ThreadLocal的世界

• Android中一个线程只能有一个Looper，如果一个线程已经有Looper，我们再在线程中调用Looper.prepare()方法会抛出RuntimeException("Only one Looper may be created per thread")。那如何确保一个线程中最多只能有一个Looper呢？我们从Looper中寻找答案。

  public final class Looper {
      
    static final ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal();
      
      public static void prepare() {
          prepare(true);
      }
  
      private static void prepare(boolean quitAllowed) {
          //如果该线程已经有Looper
          if (sThreadLocal.get() != null) {
              throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
          }
          //该线程中没有Looper
          sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
      }
      ...
  }
  

  从上面的源码我们能知道如果一个线程已经有Looper了sThreadLocal.get()便不为空就抛出异常。否则就会新建一个Looper然后set进入sThreadLocal。

ThreadLocal

• sThreadLocal是一个静态的成员变量，所有线程共享它。那它是如何实现同一个静态变量在不同的线程中调用get()方法却能返回不同值的骚操作的呢？让我们来看看ThreadLocal的get()和set()

  public class ThreadLocal {
      
    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();
      }
      
      public void set(T value) {
          Thread t = Thread.currentThread();
          //获取Thread中的成员变量ThreadLocalMap
          ThreadLocalMap map = getMap(t);
          if (map != null)
              map.set(this, value);
          else
              createMap(t, value);
      }
      
      ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
          return t.threadLocals;
      }
      
      void createMap(Thread t, T firstValue) {
          t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
      }
      
      private T setInitialValue() {
          //initialValue()返回null
          T value = initialValue();
          Thread t = Thread.currentThread();
          ThreadLocalMap map = getMap(t);
          if (map != null)
              map.set(this, value);
          else
              createMap(t, value);
          return value;
      }
      ...
  }
  

  public class Thread implements Runnable {
    ...
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ...   
  }
  

  在每个Thread中都有一个ThreadLocalMap成员变量，ThreadLocal中的get()和set()方法都是通过获取到当前线程的引用后直接再通过getMap()方法拿到ThreadMap的引用。ThreadLocal就是通过能获取到每个线程中的ThreadLocalMap，从而实现线程间的数据隔离。ThreadLocalMap只能通过ThreadLocal的createMap()方法初始化。就让我们来看看ThreadLocalMap。

ThreadLocalMap

• ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类。它用来存储数据，采用类似hashmap机制，存储了以ThreadLocal为key，需要隔离的数据为value的Entry键值对数组结构。里面有一些具体关于如何清理过期的数据、扩容等机制，思路基本和hashmap差不多，有兴趣的可以自行阅读了解。

  static class ThreadLocalMap {
      ...
      //存储放入的数据
      private Entry[] table;
      
      //Entry继承ThreadLocal的弱引用
      static class Entry extends WeakReference {
          //要存储的变量
          Object value;
  
          Entry(ThreadLocal k, Object v) {
              super(k);
              value = v;
          }
      }
      
      private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
          //获取存储数据的位置
          int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
          Entry e = table[i];
          if (e != null && e.get() == key)
              return e;
          else
              return getEntryAfterMiss(key, i, e);
      }
      
      private void set(ThreadLocal key, Object value) {
          Entry[] tab = table;
          int len = tab.length;
          int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
          //遍历整个Entry数组
          for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
               ThreadLocal k = e.get();
               if (k == key) {
                   //覆盖数据
                   e.value = value;
                   return;
               }
               if (k == null) {
                   replaceStaleEntry(key, value, i);
                   return;
               }
          }
          //如果位置为空，就新建有要存储的Entry后放入数组
          tab[i] = new Entry(key, value);
          int sz = ++size;
          if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
              rehash();
      }
      ...
  }
  

• ThreadLocal实例被线程的ThreadLocalMap实例持有，也可以看成被线程持有。但是ThreadLocalMap的key是ThreadLocal实例的弱引用。从而避免了内存泄漏。

总结

• 每个线程中都有一个独立的ThreadLocalMap副本，它所存储的值，只能被当前线程读取和修改。ThreadLocal类通过操作每一个线程特有的ThreadLocalMap副本，从而实现了变量访问在不同线程中的隔离。每个Thread只访问自己的 Map，那就不存在多线程写的问题，也就不需要锁。
• 与同步机制比较：对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。
• 在很多情况下，ThreadLocal比直接使用synchronized同步机制解决线程安全问题更简单，更方便，且结果程序拥有更高的并发性。

参考

• 彻底理解ThreadLocal