Java中ThreadLocal使用及分析

0. ThreadLocal简单使用

• ThreadLocal类的简单使用。下面（程序中）共有 10 个 ‘人’ 同时命令 ‘小李子’ 做点什么事情 : - )，代码如下（使用 ThreadLocal 完成统计方法的执行时间）：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Temp_4 {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Person person = new Person("小李子");
		System.out.println(person.getName() + " begin to do");
		int threadNum = 10;
		Thread[] workers = new Thread[threadNum];
		for(int i = 0;i < threadNum;i++) {
			workers[i] = new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					person.toDoSomething();
				}
			}, "t-" + i);
		}
		for(int i = 0;i < threadNum;i++) {
			workers[i].start();
		}
		for(int i = 0;i < threadNum;i++) {
			workers[i].join();
		}
		System.out.println("all works done.");
	}
}

class Person {
	private static ThreadLocal<Long> costTime = new ThreadLocal<Long>();
	private static Random random = new Random();
	
	private final String name;
	public Person(String name) {
		this.name = name;
	}
	public String getName() {
		return name;
	}
	public void toDoSomething() {
		costTime.set(System.currentTimeMillis()); // 上班打卡
		String threadName = Thread.currentThread().getName();
		int sleepTime = random.nextInt(1001);
		while(sleepTime == 0) {			
			sleepTime = random.nextInt(1001);
		}
		try {
			TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(sleepTime); // 小李子只想睡觉
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		// 打卡下班
		System.out.println(threadName + " command " + name 
				+ " to do something, cost time is " 
				+ (System.currentTimeMillis() - costTime.get()) / 1000.0 + "s");
	}
}

执行结果如下：

小李子 begin to do
t-1 command 小李子 to do something, cost time is 0.083s
t-2 command 小李子 to do something, cost time is 0.193s
t-6 command 小李子 to do something, cost time is 0.396s
t-9 command 小李子 to do something, cost time is 0.41s
t-7 command 小李子 to do something, cost time is 0.461s
t-5 command 小李子 to do something, cost time is 0.488s
t-3 command 小李子 to do something, cost time is 0.494s
t-8 command 小李子 to do something, cost time is 0.575s
t-4 command 小李子 to do something, cost time is 0.668s
t-0 command 小李子 to do something, cost time is 0.803s
all works done.

查看程序的运行结果，从中我并没有看出什么（-_- !），所以还是去看一眼 ThreadLocal 类的具体实现。（猜想：我们知道，ThreadLocal 可以实现：为每个线程保存一个对象，所以我猜测它的内部必定有一个数据结构/容器来维护每个线程及其持有的对象，该数据结构/容器要保证多线程安全，而且当线程终止后，ThreadLocal 最好还能够释放对该线程及其所持对象的引用）

1. ThreadLocal 类的具体实现

• 从源代码开始。ThreadLocal 对外暴露的可供我们使用的方法总共只有 3 个：
  
  该类仅仅只有一个无参的构造器方法，且该方法的方法体为空。
  先看 get 方法，该方法返回 ThreadLocal 对象实例关联的 value 值（这里使用泛型，所以我们可以为线程保存任意的对象实例），get 方法源代码如下：

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

其中 ThreadLocalMap 为一个自定义的 hashmap 实现（暂时不要关注它的实现细节），其目的是存放键值对 即每个 ThreadLocal 实例关联一个值 value，且线程类 Thread 中声明了一个 ThreadLocalMap 类型属性，用于保存属于该线程的 ‘线程本地变量’。我们知道，对于任一线程，一个 ThreadLocal 对象只关联一个值，而一个线程可以拥有多个 ThreadLocal 实例，所以就可以清晰：每个线程都有一个 hashmap 即 ThreadLocalMap 实例，用来保存属于该线程的 ThreadLocal 实例以及与该 ThreadLocal 实例对应的值 value。注意，每个线程都在一个属于它自己的 hashmap 对象上进行（ get/set）操作，所以这里并不会有线程安全问题。当多个线程使用/操作同一个 ThreadLocal 实例时，相当于：有多个 hashmap 实例，使用同一个对象（即 ThreadLocal 实例）作为 key，来关联它们各自的 value 值。
综上，我是为了了解 ThreadLocal 的实现机制，所以从 ThreadLocal 类本身开始下手，但是直到看 ThreadLocalMap 以及线程类 Thread 中的 ThreadLocalMap 类型的属性域，我才恍然大悟：我搞错了顺序，我一开始就进入到了最里面，从而困惑于 ThreadLocal 的实现细节。我认为对 ThreadLocal 的理解，应当从 Thread 类中的 ThreadLocalMap 类型的属性开始：每个线程都有个一 ThreadLocalMap 类型的 hashmap 域，用于维护以 ThreadLocal 对象为 key 并以任意对象为 value 的键值对。所以再看 ThreadLocal，其仅仅用于创建一个普通的对象，该对象没有状态，只是作为 hashmap 的 key 而存在，至于它被多个线程使用，这一点并不特别。（还有一点就是 ThreadLocal 类本身，我认为这个类被设计的比较复杂，因为该类内部还隐藏了其它 3 个类，最关键的就是 ThreadLocalMap 类了，ThreadLocalMap 以它的包装类 ThreadLocal 作为 key，其自身却藏在 ThreadLocal 里面，可见类设计者有意隐藏 ThreadLocal 的实现细节，使得可以像使用普通对象一样对待 ThreadLocal 实例。注意，ThreadLocalMap 虽然定义在 ThreadLocal 的内部，但是它被定义为内部静态类，这和单独定义它其实效果一样，这一点可以简化对 ThreadLocal 的理解。）