ThreadLocal深度解析

简介

在并发编程中,导致并发bug的问题都会归结于对共享变量的操作不当。多个线程同时读写同一共享变量存在并发问题,我们可以利用写时复制、不变性来突破对原数据的写操作,没有写就没有并发问题,而本篇文章所介绍的技术是突破共享变量,没有共享变量也不会有并发问题。

Java中避免线程共享的一大利器就是ThreadLocal,我们本篇文章重点讲述它的底层原理、常见的一些用途、创建和使用等。

首先介绍一下它是什么:

  • ThreadLocal 是 Java 的一个类,位于 java.lang 包下。它为每一个线程提供了一个独立的变量副本,使得每个线程可以独立地改变自己的副本,而不会影响其他线程所对应的副本。

它的主要作用就是避免线程间共享,除此之外还能避免无必要的同步以及降低变量使用的复杂度:

  • 线程隔离:在多线程环境下,ThreadLocal 可以为每一个线程提供一个独立的变量实例。因此,每个线程都可以独立地操作该变量,而不需要考虑并发问题。这种特性使得 ThreadLocal 成为一个非常方便的保存线程状态或线程局部变量的工具。
  • 避免无必要的同步:由于每个线程都有其自己的变量副本,所以它们可以无需任何同步措施就可以访问这些变量,从而提高了程序的执行效率。
  • 降低复杂度:在某些场景下,如果需要通过参数传递线程局部变量,可能会使得方法签名和调用变得复杂。使用 ThreadLocal 可以避免这种复杂性,因为它允许我们在任何地方获取到线程相关的数据。

工作原理

我们在学习ThreadLocal的时候,如果不了解其底层实现的话,通常会进入一个误区:ThreadLocal类里面维护了一个Map,这个Map的key为线程引用,值为自己设置的值。其实Java真正的实现是ThreadLocal仅是一个工具类,提供线程对数据的访问,实际真正拥有这个数据的角色是线程自身(这也解释了简介中提到的每个线程都有针对某一变量的副本),如下图所示:

ThreadLocal深度解析_第1张图片

相信大家会有这样一个疑问:为什么Java没有按照我们预想的那样实现呢?其主要原因就是:不容易造成内存泄漏。假设Java按照我们预想的方案实现,我们分析下会造成什么样的问题:ThreadLocal 持有的 Map 会持有 Thread 对象的引用,这就意味着,只要 ThreadLocal 对象存在,那么 Map 中的 Thread 对象就永远不会被回收。ThreadLocal 的生命周期往往都比线程要长,所以这种设计方案很容易导致内存泄露。而 Java 的实现中 Thread 持有 ThreadLocalMap,而且 ThreadLocalMap 里对 ThreadLocal 的引用还是弱引用(WeakReference),所以只要 Thread 对象可以被回收,那么 ThreadLocalMap 就能被回收。Java 的这种实现方案虽然看上去复杂一些,但是更加安全。

另外这里面的关于Entry[]大小的问题有个讨论点:为什么ThreadLocalMap中的Entry[]大小一定是2的幂次方呢?

ThreadLocal深度解析_第2张图片

其主要原因如下:

  • 优化索引计算:当 table 大小为 2 的次幂时,计算索引位置可以通过简单的位操作实现,而不需要执行昂贵的除法操作。例如,如果 table 大小为 16,那么为了得到一个 key 对应的索引位置,只需要计算 key的hashCode & (table.length - 1)。这种位操作比标准的模运算(%)速度快得多。
  • 均匀分布:2 的次幂大小确保了哈希值在 table 中均匀分布,减少了哈希冲突的可能性。这是因为当我们使用 hashCode & (table.length - 1) 这种方式时,hash值的低位将被有效地使用来计算索引,这在大多数情况下可以确保数据在 table 中均匀分布。
  • 容易扩容:当 table 需要扩容时(例如,当存储的元素太多,达到了负载因子的限制),新的大小可以简单地翻倍,仍然保持为 2 的次幂。
  • 历史与一致性:Java 中的其他哈希结构,如 HashMap,也使用了类似的策略,因此保持这种做法在某种程度上也是为了一致性。

总的来说,选择 2 的次幂作为 table 大小是一个优化决策,旨在提高性能、减少哈希冲突并简化内部操作。

常见用途

  1. 数据库连接:使用 ThreadLocal 保存每个线程独立的数据库连接,确保在同一线程中共享同一个数据库连接,而不是频繁地创建和销毁。
  2. 日期格式化:SimpleDateFormat 不是线程安全的,但我们可以用 ThreadLocal 来为每个线程创建独立的 SimpleDateFormat 实例,避免并发问题。
  3. Web 会话管理:在 Web 应用中,可以使用 ThreadLocal 来保存当前请求的用户会话或其他会话相关的信息。
  4. 框架中的上下文信息:许多框架使用 ThreadLocal 来保存线程级别的上下文数据,例如 Spring 中的事务管理。

创建和使用

下面使用ThreadLocal演示一下为每一个线程分配一个线程ID的代码,不同线程拥有不同的线程ID。

package com.markus.concurrent;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

/**
 * @author: markus
 * @date: 2023/8/20 4:16 PM
 * @Description:
 * @Blog: https://markuszhang.com
 * It's my honor to share what I've learned with you!
 */
public class ThreadLocalDemo {

    static class ThreadID {
        static final AtomicLong nextId = new AtomicLong(0);
        static final ThreadLocal<Long> tl = ThreadLocal.withInitial(nextId::incrementAndGet);

        public static Long get() {
            return tl.get();
        }
    }

    static class GetThreadId implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println("Thread [" + Thread.currentThread().getName() + "],its id is " + ThreadID.get());
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new GetThreadId(), "t1");
        Thread t2 = new Thread(new GetThreadId(), "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

控制台打印:

控制台

优势、缺点与陷阱

在多线程编程中,ThreadLocal 是一个不可或缺的工具。其主要优势在于为每个线程提供了私有的、独立的变量副本,从而消除了多线程并发访问的问题。这种独立性确保了每个线程都可以无需同步就能访问其局部变量,大大提高了程序的并发性和效率。此外,它还能简化代码结构,避免了复杂的参数传递,为线程关联上下文信息提供了便捷手段,如日志记录中的会话ID。

但是,与其带来的好处相伴的是一些潜在的陷阱。最为严重的问题是与内存泄漏相关。因为ThreadLocal 使用弱引用来引用键,但其对应的值则是强引用。如果不适时地清理,尤其是在线程生命周期结束前不调用 remove() 方法,可能会造成内存泄漏。此外,过度或不适当地使用 ThreadLocal 可能导致代码结构混乱,并降低代码的可读性和维护性。

总之,当我们在项目中使用 ThreadLocal 时,应该始终注意其潜在的陷阱和限制。正确、合理地使用 ThreadLocal 可以为我们带来很多好处,但不恰当的使用可能会引发一系列问题。在使用前,充分了解其工作机制并持续关注是非常必要的。

InheritableThreadLocal

顾名思义,可继承的ThreadLocal。我们知道ThreadLocalMap是线程持有的,每个变量都在各自的线程中保存一个副本,每个线程都能拿到自己的值,但是如果父线程创建了一个子线程,那么这个子线程是无法拿到父线程中的ThreadLocalMap中的信息的。InheritableThreadLocal的出现就是解决这个问题的。它继承自ThreadLocal,相关用法与ThreadLocal一致,这里就不介绍了。

最佳实践

  • 限制使用范围:仅在确实需要线程局部变量来解决问题时使用 ThreadLocal。不应该过度使用或在不必要的场合使用它。

  • 及时清理:

    • 一定要在不再需要线程局部变量时调用 ThreadLocalremove() 方法,以释放资源并避免潜在的内存泄漏。
    • 在 Web 容器中,例如 Tomcat,确保在请求结束后清除 ThreadLocal,因为容器可能会重用线程。
  • 避免长时间存活的线程局部变量:如果一个线程预计会长时间存活而不释放(例如线程池中的线程),那么这种线程中的 ThreadLocal 变量也会长时间存活。在这种情况下,应该特别注意清理这些变量。

  • 不要存储大对象:为了避免内存消耗,不应该在 ThreadLocal 中存储大对象或那些你不打算很快释放的对象。、

  • 考虑使用 InheritableThreadLocal:当需要在一个线程及其所有子线程之间共享一个变量时,可以考虑使用 InheritableThreadLocal。但要注意,如果子线程修改了这个变量,它不会影响到父线程中的值。

  • 考虑线程安全性:虽然 ThreadLocal 变量不需要同步来保证线程安全,但存储在其中的对象仍然可能需要同步,尤其是当多个线程可能访问同一个 ThreadLocal 变量中的同一个实例时(例如,使用 InheritableThreadLocal)。

  • 优先使用库提供的线程局部功能:有些库或框架可能已经提供了其自己的线程局部功能,例如 Java EE 和 Spring。在这种情况下,优先使用库或框架提供的功能,除非有特定的需求使得必须使用原生的 ThreadLocal

  • 不要将 ThreadLocal 作为全局变量:尽量避免将 ThreadLocal 作为静态变量,除非你确实需要这样做。静态的 ThreadLocal 变量可能会导致预料之外的问题,尤其是当类被卸载时。

  • 不建议你在线程池中使用 InheritableThreadLocal,不仅仅是因为它具有 ThreadLocal 相同的缺点——可能导致内存泄露,更重要的原因是:线程池中线程的创建是动态的,很容易导致继承关系错乱,如果你的业务逻辑依赖 InheritableThreadLocal,那么很可能导致业务逻辑计算错误,而这个错误往往比内存泄露更要命

总之,ThreadLocal 是一个有用但需要小心使用的工具。确保了解其工作原理,并始终遵循上述的最佳实践,这样可以最大化其价值并避免潜在的问题。

总结

好了,简单总结一下我们本篇讲述的内容,首先讲述了ThreadLocal是什么以及它的作用是什么,并通过图片展示ThreadLocal模型,知道了ThreadLocal其实就是一个工具类,内部不保存数据,真正保存数据的地方是在Thread本身,也就是我们常说的每个Thread都有一个变量的副本。也介绍了ThreadLocalMap中的Entry[]数组为什么大小一定要限制为2的幂次方,后面通过一段代码简单演示了ThreadLocal的使用,并再次声明了它的优势和其缺点以及使用不到出现的陷阱。讲述过程中提到了父子线程不共享变量副本的问题,而Java提供了InheritableThreadLocal解决这一问题。最终我们罗列了ThreadLocal的最佳实践。

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