菜鸟之路——Java并发（二）ThreadLocal
一、什么是ThreadLocal
ThreadLocal，很多地方叫做线程本地变量，也有些地方叫做线程本地存储，其实意思差不多。很多博客都这样说：ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路，ThreadLocal的目的是为了解决多线程访问资源时的共享问题。但其实这么说并不准确。ThreadLocal是为变量在每个线程中都创建了一个副本（此副本的意思是通过每个线程中的new操作来创建内容一样的新的对象，每个线程创建一个，而不是使用对象的引用），使每个线程可以访问自己内部的副本变量。看看JDK中的源码是怎么描述ThreadLocal的：
This class provides thread-local variables. These variables differ from
their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its
{@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized
copy of the variable. {@code ThreadLocal} instances are typically private
static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g.,
a user ID or Transaction ID).class ConnectionManager {
private static Connection connect = null;
public static Connection openConnection() {
if(connect == null){
connect = DriverManager.getConnection();
}
return connect;
}
public static void closeConnection() {
if(connect!=null)
connect.close();
}
}第一，这里面的2个方法都没有进行同步，很可能在openConnection方法中会多次创建connect；
第二，由于connect是共享变量，那么必然在调用connect的地方需要使用到同步来保障线程安全，因为很可能一个线程在使用connect进行数据库操作，而另外一个线程调用closeConnection关闭链接。
所以出于线程安全的考虑，必须将这段代码的两个方法进行同步处理，并且在调用connect的地方需要进行同步处理。
这样将会大大影响程序执行效率，因为一个线程在使用connect进行数据库操作的时候，其他线程只有等待。
那么大家来仔细分析一下这个问题，这地方到底需不需要将connect变量进行共享？事实上，是不需要的。假如每个线程中都有一个connect变量，各个线程之间对connect变量的访问实际上是没有依赖关系的，即一个线程不需要关心其他线程是否对这个connect进行了修改的。
到这里，可能会有朋友想到，既然不需要在线程之间共享这个变量，可以直接这样处理，在每个需要使用数据库连接的方法中具体使用时才创建数据库链接，然后在方法调用完毕再释放这个连接。比如下面这样：
class ConnectionManager {
private Connection connect = null;
public Connection openConnection() {
if(connect == null){
connect = DriverManager.getConnection();
}
return connect;
}
public void closeConnection() {
if(connect!=null)
connect.close();
}
}
class Dao{
public void insert() {
ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();
Connection connection = connectionManager.openConnection();
//使用connection进行操作
connectionManager.closeConnection();
}
}那么这种情况下使用ThreadLocal是再适合不过的了，因为ThreadLocal在每个线程中对该变量会创建一个副本，即每个线程内部都会有一个该变量，且在线程内部任何地方都可以使用，线程之间互不影响，这样一来就不存在线程安全问题，也不会严重影响程序执行性能。
但是要注意，虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题，但是由于在每个线程中都创建了副本，所以要考虑它对资源的消耗，比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。
二、ThreadLocal如何实现
如果让大家设计ThreadLocal，大家会怎么设计？相信大部分人会有这样的想法：每个ThreadLocal类创建一个Map，然后用线程的ID作为Map的key，实例对象作为Map的value，这样就能达到各个线程的值隔离的效果。没错，这是最简单的设计方案，JDK最早期的ThreadLocal就是这样设计的。JDK1.3之后ThreadLocal的设计换了一种方式。我们一起来看看目前ThreadLocal是如何设计的：
构造函数：ThreadLocal的构造函数签名是这样的，内部啥也没做：
/**
* Creates a thread local variable.
* @see #withInitial(java.util.function.Supplier)
*/
public ThreadLocal() {
}public T get() { }
public void set(T value) { }
public void remove() { }
protected T initialValue() { }首先我们来看一下ThreadLocal类是如何为每个线程创建一个变量的副本的。
先看下get方法的实现：
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();
}如果获取成功，则返回value值。
如果map为空，则调用setInitialValue方法返回value。
我们上面的每一句来仔细分析：
首先看一下getMap方法中做了什么：
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}那么我们继续取Thread类中取看一下成员变量threadLocals是什么：
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}首先，在每个线程Thread内部有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals，这个threadLocals就是用来存储实际的变量副本的，键值为当前ThreadLocal变量，value为变量副本（即T类型的变量）。
初始时，在Thread里面，threadLocals为空，当通过ThreadLocal变量调用get()方法或者set()方法，就会对Thread类中的threadLocals进行初始化，并且以当前ThreadLocal变量为键值，以ThreadLocal要保存的副本变量为value，存到threadLocals。
然后在当前线程里面，如果要使用副本变量，就可以通过get方法在threadLocals里面查找。
下面通过一个例子来证明通过ThreadLocal能达到在每个线程中创建变量副本的效果：
public class Test {
ThreadLocal longLocal = new ThreadLocal();
ThreadLocal stringLocal = new ThreadLocal();
public void set() {
longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
}
public long getLong() {
return longLocal.get();
}
public String getString() {
return stringLocal.get();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final Test test = new Test();
test.set();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
test.set();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
};
};
thread1.start();
thread1.join();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
}
} 
从这段代码的输出结果可以看出，在main线程中和thread1线程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一样。最后一次在main线程再次打印副本值是为了证明在main线程中和thread1线程中的副本值确实是不同的。
总结一下：
1）实际的通过ThreadLocal创建的副本是存储在每个线程自己的threadLocals中的；
2）为何threadLocals的类型ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象，因为每个线程中可有多个threadLocal变量，就像上面代码中的longLocal和stringLocal；
3）在进行get之前，必须先set，否则会报空指针异常；
如果想在get之前不需要调用set就能正常访问的话，必须重写initialValue()方法。
因为在上面的代码分析过程中，我们发现如果没有先set的话，即在map中查找不到对应的存储，则会通过调用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一个语句是T value = initialValue()， 而默认情况下，initialValue方法返回的是null。
看下面这个例子：
public class Test {
ThreadLocal longLocal = new ThreadLocal();
ThreadLocal stringLocal = new ThreadLocal();
public void set() {
longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
}
public long getLong() {
return longLocal.get();
}
public String getString() {
return stringLocal.get();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final Test test = new Test();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
test.set();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
};
};
thread1.start();
thread1.join();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
}
} 但是如果改成下面这段代码，即重写了initialValue方法：
public class Test {
ThreadLocal longLocal = new ThreadLocal(){
protected Long initialValue() {
return Thread.currentThread().getId();
};
};
ThreadLocal stringLocal = new ThreadLocal(){;
protected String initialValue() {
return Thread.currentThread().getName();
};
};
public void set() {
longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
}
public long getLong() {
return longLocal.get();
}
public String getString() {
return stringLocal.get();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final Test test = new Test();
test.set();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
test.set();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
};
};
thread1.start();
thread1.join();
System.out.println(test.getLong());
System.out.println(test.getString());
}
} 可以再总结一下ThreadLocal的设计思路：
每个Thread维护一个ThreadLocalMap映射表，这个映射表的key是ThreadLocal实例本身，value是真正需要存储的Object。
这个方案刚好与我们开始说的简单的设计方案相反。
查阅了一下资料，这样设计的主要有以下几点优势：
1、这样设计之后每个Map的Entry数量变小了：之前是Thread的数量，现在是ThreadLocal的数量，能提高性能，据说性能的提升不是一点两点(因为map越大基本上是走链表多，固然耗时多。)
2、当Thread销毁之后对应的ThreadLocalMap也就随之销毁了，能减少内存使用量。
三、ThreadLocal的应用场景
最常见的ThreadLocal使用场景为 用来解决 数据库连接、Session管理等。
如：
private static ThreadLocal connectionHolder
= new ThreadLocal() {
public Connection initialValue() {
return DriverManager.getConnection(DB_URL);
}
};
public static Connection getConnection() {
return connectionHolder.get();
} private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();
public static Session getSession() throws InfrastructureException {
Session s = (Session) threadSession.get();
try {
if (s == null) {
s = getSessionFactory().openSession();
threadSession.set(s);
}
} catch (HibernateException ex) {
throw new InfrastructureException(ex);
}
return s;
}四、ThreadLocal是否会引发内存泄漏
先交代一个事实：ThreadLocalMap是使用ThreadLocal的弱引用作为Key的：
static class ThreadLocalMap {
/**
* The entries in this hash map extend WeakReference, using
* its main ref field as the key (which is always a
* ThreadLocal object). Note that null keys (i.e. entry.get()
* == null) mean that the key is no longer referenced, so the
* entry can be expunged from table. Such entries are referred to
* as "stale entries" in the code that follows.
*/
static class Entry extends WeakReference> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
...
...
} 然后网上就传言，ThreadLocal会引发内存泄露，他们的理由是这样的：
如上图，ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用引用他，那么系统gc的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：
Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value
永远无法回收，造成内存泄露。
我们来看看到底会不会出现这种情况。
其实，在JDK的ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施，下面是ThreadLocalMap的getEntry方法的源码：
private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
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 Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
while (e != null) {
ThreadLocal k = e.get();
if (k == key)
return e;
if (k == null)
expungeStaleEntry(i);
else
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// expunge entry at staleSlot
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
// Rehash until we encounter null
Entry e;
int i;
for (i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
ThreadLocal k = e.get();
if (k == null) {
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else {
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
if (h != i) {
tab[i] = null;
// Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
// null because multiple entries could have been stale.
while (tab[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
tab[h] = e;
}
}
}
return i;
}1、首先从ThreadLocal的直接索引位置(通过ThreadLocal.threadLocalHashCode & (len-1)运算得到)获取Entry e，如果e不为null并且key相同则返回e；
2、如果e为null或者key不一致则向下一个位置查询，如果下一个位置的key和当前需要查询的key相等，则返回对应的Entry，否则，如果key值为null，则擦除该位置的Entry，否则继续向下一个位置查询。
在这个过程中遇到的key为null的Entry都会被擦除，那么Entry内的value也就没有强引用链，自然会被回收。仔细研究代码可以发现，set操作也有类似的思想，将key为null的这些Entry都删除，防止内存泄露。
但是光这样还是不够的，上面的设计思路依赖一个前提条件：要调用ThreadLocalMap的getEntry函数或者set函数。这当然是不可能任何情况都成立的，所以很多情况下需要使用者手动调用ThreadLocal的remove函数，手动删除不再需要的ThreadLocal，防止内存泄露。所以JDK建议将ThreadLocal变量定义成private static的，这样的话ThreadLocal的生命周期就更长，由于一直存在ThreadLocal的强引用，所以ThreadLocal也就不会被回收，也就能保证任何时候都能根据ThreadLocal的弱引用访问到Entry的value值，然后remove它，防止内存泄露。