ThreadLocal：不同于“锁”的优化

现在都是多核CPU了，多线程方式可以提高系统的性能，充分利用各个CPU，但是，多线程也增加了很多额外的开销，例如线程之间的切换，线程调度，还有最重要的多线程同步的问题，通常我们都会使用锁来控制线程同步，临界资源的访问通常我们都只加上一把锁，这样做的问题是，一个线程占用了这把锁，其他想要访问临界资源的线程就只能停下来等待，等待锁的释放，如果一个线程拿住了锁后，久久不放，那么越来越多的其他线程被阻塞，最后会导致程序的整体性能下降，所以锁的优化就很有必要了。例如大家可能会立刻想到的就是读写锁，把读线程和写线程的锁分离开来，因为在读操作时，多个线程同时读某一个临界资源，并不会破坏数据的一致性，因为读操作并不会对值做任何的修改，所以多线程读操作之间是并行的，而写-写操作之间就会互相阻塞，读-写操作也会互相阻塞，但是有一种优化方法是写操作把资源复制一份副本出来寄存器中，对这个副本进行写入修改等操作，最后再把副本覆盖回去存储器中，这一在写操作时就可以同时做读操作，这里不过多叙述，因为这篇日志要说的，是另外一种多线程优化方式，ThreadLocak。这种优化方式是用来保证某一个对象在某一个线程中的安全（表述的不太好，不过通过下面举的例子，我相信大家能明白它是干什么的），它不同于锁，锁是控制了某一时刻只能一个线程访问某一个临界资源，而ThreadLocal则是为每一个线程都增加了资源，大家不用抢，你们都可以访问到这个资源，且不会造成安全性问题。这是怎么做到的？来看看例子，首先来看一个线程不安全的：

ThreadLocal示例

这段代码要做的，就是用10个线程分别对对象ID中的value变量做一万次自增操作，最后我们希望看到的value是等于十万，但是因为多线程下，我们的自增操作并没有做同步控制，经常会出现最后value的值小于十万的情况，原因很简单，多线程可能对value做了重复的写入，这里不详述。解决的方法大家都想到，就是在increase（）前加锁，increase（）后释放锁就行了，但是当一个线程在对value做操作时，其余的线程全都被阻塞了，前面也说到，这样做会降低程序整体的性能，保证了安全，但牺牲了大多的时间。

      另一种方法是ThreadLocal，“ThreadLocal，即线程本地变量，或叫线程局部变量。ThreadLocal为每一个线程创建一个对象的副本，副本包含对象里的变量。”这样每一个线程都得到这个对象的资源（它是一份复制出来的副本），且ThreadLocal是线程的局部变量，这样每一个线程访问自己的局部变量，我们知道，局部变量是存放在各自的线程栈上的，属于线程的私有数据，因此这一就能保证数据操作的安全，每一个线程对各自的数据做操作，其他线程无法干扰，具体来看代码：

ThreadLocal提供了一个容器的作用，每一个线程执行时，先设置该线程持有的对象（这里是ThreadLocalDemo的实例对象TL），放到ThreadLocal容器中，ThreadLocal便会为我们的线程创建一个ThreadLocalDemo对象的副本，该线程访问到的ThreadLocalDemo中的变量value是对该线程唯一的，是该线程的一个局部变量，其他线程无法访问。为了看到每一个线程中的value的变化，我们让自增操作次数减少到10，看看每一个线程中的value是不是属于各自线程的私有局部变量：

可以看到，各自线程对于各自的对象TL的value操作，互不影响，大家都要对value做自增操作，那么就各自对自己的副本value做自增操作，最后想要获得总和，就用一个sum变量来累加就可以了。

      大家可能疑惑，这样做的目的是什么？实际应用中什么时候用得上这样的操作？对于多个线程想访问同一对象，为了数据一致性，我们会通过加锁，让一个对象每次只能被一个线程访问，这样其他线程会被阻塞，导致程序整体性能下降。ThreadLocal的意义在于它为每一个线程都分配这个对象的副本，这样大家都可以访问这个对象里的变量，但是它们又是各地独立分开的，线程之间的这个副本变量只有该线程自己能访问，这样来保证对象的线程安全。

      具体实际应用中的例子，有一个经典的场景就是数据库连接，假如我们只有一个数据库连接对象Connection，假如多个线程例如T1和T2都共享这个Connection对象，在没做同步控制的情况下，有可能出现T1线程连接数据库做提交操作前，T2数据库因为工作完成而关闭了数据库连接，导致T1线程做提交操作时，出现数据库未连接的问题。如果用锁来做同步控制，就会造成当大量数据库操作需要进行时，多线程等待锁而浪费了大量的时间，降低了性能和效率。那么此时使用ThreadLocal就能很好地解决这个问题，ThreadLocal为每一个数据库访问线程都分配一个数据库连接对象Connection，这样各个线程各自对数据库做连接，修改和管理操作都互不影响，因为这个数据库连接对象被创建了各个线程的私有副本，是一个线程内的局部变量，各线程之间互不影响，可以同步进行。

ThreadLocal内部实现

ThreadLocal的实现原理，上面也说了，它是为当前线程复制了一份对象的副本，这个副本成为该线程的私有局部变量，让线程访问各自的这个副本，来达到数据的安全。来看看它是怎么实现对象线程的安全的：

它有四个方法，initialValue​()、set（），get（）和remove（）。set（）方法用来设置当前线程的对象的副本； get（）就是获得当前线程中保存的ThreadLocal中的对象副本；remove（）用来删除当前线程中的ThreadLocal中保存的对象的副本。主要来看set（）和get（）两个方法：

set（）：

可以看到，在set（）方法中，首先获得当前Thread的对象，并且拿到该线程对象的ThreadLocalMap，最后将value的值放入到当前线程的ThreadLocalMap中。

get（）方法中，同样是先获得当前线程的对象，然后从当前线程对象中获得该线程的ThreadlLocalMap，从这个线程的ThreadLocalMap中取得value并返回出去。

      由此可以看出，在每一个线程Thread中，都有一个Thread类的内部成员：

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

我们设置的副本数据都是保存在这个threadLocals中，因为这是线程的内部变量，只能当前线程能访问，所以就是通过这个内部成员来保证数据的安全性。

回收ThreadLocal

上面还有一个remove（）方法就是用来释放ThreadLocal变量，而且这个释放很重要，由上面的set（）和get（）方法可以看到，对象副本是保存在线程Thread类的内部成员threadLocals中，当线程退出后，线程实例对象被回收，这样没问题，但如果你使用的是线程池，那么里面的线程因为可能会被复用，而不会退出，一直维持在线程池内，这样，对于副本的引用将跟着这个线程实例回到线程池中，后果可能会导致副本一直占用内存。所以，在线程结束时，显式调用ThreadLocal.remove（）回收ThreadLocal的变量很重要。

简单使用例子已上传：

https://github.com/justinzengtm/Java-Multithreading/tree/master/ThreadLocal