Spring JDBC-Spring事务管理之ThreadLocal基础知识

概述

Spring通过各种模板类降低了开发者使用各种数据持久技术的难度，这些模板类都是线程安全的。

也就是说，多个DAO可以复用同一个模板实例而不会发生冲突。我们使用模板类访问底层数据，根据持久化技术的不同，模板类需要绑定数据连接或会话的资源。但这些资源本身是非线程安全的，也就是说它们不能在同一时刻被多个线程共享。虽然模板类通过资源池获取数据连接或会话，但资源池本身解决的是数据连接或会话的缓存问题，并非数据连接或会话的线程安全问题。

但是这些资源本身却是非线程安全的。根据传统的经验，如果某个对象是非线程安全的话，在多线程的环境下，对于对象的访问都必须采用同步机制，但是模板类并没有采用同步机制，因为线程的同步会降低并发性，Spring的模板类就是采用ThreadLocal 解决了在多线程环境下，不采用同步的方式解决了多线程的难题。

ThreadLocal在Spring中发挥着重要作用，在管理request作用域的Bean、事务管理、任务调度、AOP等模块中都出现了它的身影。 想要了解Spring事务管理的底层技术，必须要攻克ThreadLocal。

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ThreadLocal是什么

JDK1.2中提供了java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。

ThreadLocal不是一个线程，而是线程的一个本地化对象。

当工作于多线程环境中的对象使用ThreadLocad进行维护的时候，ThreadLocad会为每一个使用这个变量的线程分配一个独立的变量副本。

所以每一个线程可以独立的改变自己的副本。而不会影响其他线程所对应的副本。从线程的角度来看，这个变量就像线程专有的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。

InheritableThreadLocal继承于ThreadLocal,它自动为子线程复制一份从副线程哪里继承而来的本地变量：在创建子线程时，子线程会接收所有可继承的线程本地变量的初始值， 当必须将本地线程变量自动传送给所有创建的子线程时，应尽可能的使用InheritableThreadLocal，而非ThreadLocal。

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ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，

Java5.0中 ThreadLocal已经支持泛型 。 set、get、initialValue都是泛型

• void set(T value)：设置当前线程的线程局部变量的值

• public T get()：该方法返回当前线程所对应的线程局部变量

• public void remove()：将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度；

• protected T initialValue()：返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的默认实现直接返回一个null。

ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护一份独立的变量副本的呢？其实实现的思路很简单：在ThreadLocal类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。

来看一个简单的实现版本：

package com.xgj.dao.threadLocal;

import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * 
 * 
 * @ClassName: SimpleThreadLocaByOurSelf
 * 
 * @Description: ThreadLocal的伪代码,简易实现，主要介绍原理
 * 
 * @author: Mr.Yang
 * 
 * @date: 2017年9月19日 下午4:58:23
 */

@SuppressWarnings({ "unchecked", "rawtypes" })
public class SimpleThreadLocalByOurSelf {

	private Map valueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

	/**
	 * 
	 * 
	 * @Title: set
	 * 
	 * @Description: 键为线程对象,值为本线程的变量副本
	 * 
	 * @param newValue
	 * 
	 * @return: void
	 */
	public void set(Object newValue) {
		valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);
	}

	/**
	 * 
	 * 
	 * @Title: get
	 * 
	 * @Description: 如果Map中没有key ,则设置为初始值null ,否则从map中获取
	 * 
	 * 
	 * @return: void
	 */
	public void get() {
		Thread currentThread = Thread.currentThread();
		Object object = valueMap.get(currentThread);
		if (object == null && !valueMap.containsKey(currentThread)) {
			object = initValue();
		} else {
			object = valueMap.get(currentThread);
		}
	}

	/**
	 * 
	 * 
	 * @Title: remove
	 * 
	 * @Description: 移除
	 * 
	 * 
	 * @return: void
	 */
	public void remove() {
		Thread currentThread = Thread.currentThread();
		valueMap.remove(currentThread);
	}

	/**
	 * 
	 * 
	 * @Title: initValue
	 * 
	 * @Description: 初始值
	 * 
	 * @return
	 * 
	 * @return: Object
	 */
	private Object initValue() {
		return null;
	}
}

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ThreadLocal示例

通过一个具体的实例了解一下ThreadLocal的具体使用方法。

package com.xgj.dao.threadLocal;

public class SeqNumWithThreadLocal {

	private ThreadLocal<Integer> seqNumLocal = new ThreadLocal<Integer>() {
		// 通过匿名内部类覆盖initialValue方法，指定初始值
		protected Integer initialValue() {
			return 0;
		}
	};

	// 获取下一个序列值
	public int getNextNum() {
		seqNumLocal.set(seqNumLocal.get() + 1);
		return seqNumLocal.get();
	}

	public static void main(String[] args) {
		SeqNumWithThreadLocal seqNum = new SeqNumWithThreadLocal();
		TestThread t1 = new TestThread(seqNum);
		TestThread t2 = new TestThread(seqNum);
		TestThread t3 = new TestThread(seqNum);

		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();

	}

	@SuppressWarnings("unused")
	static class TestThread extends Thread {

		SeqNumWithThreadLocal sn = new SeqNumWithThreadLocal();

		public TestThread(SeqNumWithThreadLocal sn) {
			this.sn = sn;
		}

		@Override
		public void run() {
			for (int i = 0; i < 5; i++) { // 每个线程打印 5个值
				System.out.println("Thread:" + Thread.currentThread().getName()
						+ ",sn:" + sn.getNextNum());
			}
		}

	}

}

输出结果：

Thread:Thread-1,sn:1
Thread:Thread-0,sn:1
Thread:Thread-2,sn:1
Thread:Thread-0,sn:2
Thread:Thread-1,sn:2
Thread:Thread-0,sn:3
Thread:Thread-2,sn:2
Thread:Thread-0,sn:4
Thread:Thread-1,sn:3
Thread:Thread-0,sn:5
Thread:Thread-2,sn:3
Thread:Thread-2,sn:4
Thread:Thread-2,sn:5
Thread:Thread-1,sn:4
Thread:Thread-1,sn:5

通过输出我们可以发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个Sequence Number实例，但它们并没有发生相互干扰的情况，而是各自产生独立的序列号，这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。

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与Thread同步机制的比较

ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

在同步机制中，通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序缜密地分析什么时候对变量进行读写，什么时候需要锁定某个对象，什么时候释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。

而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal为每一个线程提供一个要访问对象的独立的变量副本，从而隔离了多个线程对访问数据的冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的对象封装，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象，需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题，在一定程度上简化ThreadLocal的使用。

概括起来说，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：访问串行化，对象共享化。而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式：访问并行化，对象独享化。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。

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Spring中使用ThreadLocal解决线程安全问题

我们知道在一般情况下，只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非线程安全的“状态性对象”采用ThreadLocal进行封装，让它们也成为线程安全的“状态性对象”，因此有状态的Bean就能够以singleton的方式在多线程中正常工作了。

一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次，在不同的层中编写对应的逻辑，下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下，从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程.

这样用户就可以根据需要，将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放，在同一次请求响应的调用线程中，所有对象所访问的同一ThreadLocal变量都是当前线程所绑定的。

下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路：

public class TopicDao {
　　//一个非线程安全的变量
　　private Connection conn;
　　public void addTopic(){
　　//引用非线程安全变量
　　Statement stat = conn.createStatement();
　　…
　　}
}

由于conn是非线程安全的成员变量，因此addTopic()方法是非线程安全的，必须每个线程在使用时需要创建一个新TopicDao实例（非singleton）才能保障线程安全性。下面使用ThreadLocal对conn这个非线程安全的“状态”进行改造：

import java.sql.Connection;
import java.sql.Statement;
public class TopicDao {
　　//①使用ThreadLocal保存Connection变量
　　private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();
　　public static Connection getConnection(){
　　　　//②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection，
　　　　//并将其保存到线程本地变量中。
　　　　if (connThreadLocal.get() == null) {
　　　　　　Connection conn = ConnectionManager.getConnection();
　　　　　　connThreadLocal.set(conn);
　　　　return conn;
　　　　}else{
　　　　　　//③直接返回线程本地变量
　　　　　　return connThreadLocal.get();
　　　　}
　　}
　　public void addTopic() {
　　　　//④从ThreadLocal中获取线程对应的
　　　　Statement stat = getConnection().createStatement();
　　}
}

不同的线程在使用TopicDao时，先判断connThreadLocal.get()是否为null，如果为null，则说明当前线程还没有对应的Connection对象，这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中；如果不为null，则说明当前的线程已经拥有了Connection对象，直接使用就可以了。这样，就保证了不同的线程使用线程相关的Connection，而不会使用其他线程的Connection。因此，这个TopicDao就可以做到singleton共享了。

当然，这个例子本身很粗糙，将Connection的ThreadLocal直接放在Dao只能做到本Dao的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题，但无法和其他Dao共用同一个Connection，要做到同一事务多Dao共享同一个Connection，必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。但这个实例基本上说明了Spring对有状态类线程安全化的解决思路。