Java进阶篇--并发容器之ThreadLocal

目录

ThreadLocal的简介

ThreadLocal的实现原理

ThreadLocalMap详解

Entry的数据结构

set()方法

getEntry()方法

remove()方法

ThreadLocal的应用场景 

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ThreadLocal的简介

ThreadLocal可以被理解为线程的本地变量。它提供了一种将变量与线程关联起来的机制，使得每个线程都可以拥有自己独立的变量副本，互不干扰。

在多线程编程中通常解决线程安全的问题，我们会利用synchronzed或者lock控制线程对临界区资源的同步顺序从而解决线程安全的问题，但是这种加锁的方式会让未获取到锁的线程进行阻塞等待，很显然这种方式的时间效率并不是很好。并且共享变量的访问往往是一个潜在的线程安全问题。通过使用ThreadLocal，我们可以为每个线程创建一个独立的变量副本，使得每个线程都可以独立地操作该变量，而不会对其他线程产生影响。这种方式实际上是通过空间换时间的方式，通过增加内存占用来避免线程间的竞争和同步机制。

ThreadLocal类实际上是一个容器，内部维护了一个ThreadLocalMap，其中的键值对以线程作为键，变量副本作为值。每个线程访问ThreadLocal变量时，实际上是在操作自己的变量副本，线程之间互不干扰。

需要注意的是，使用ThreadLocal时要注意及时清理不再使用的变量副本，以避免内存泄漏。通常在使用完ThreadLocal后，应该调用其remove方法移除当前线程的变量副本。

总结起来，ThreadLocal提供了一种简便的方式，使得每个线程都可以拥有自己独立的变量副本，实现线程间的数据隔离，从而避免了一些多线程环境下的竞争和同步问题。这是一种以空间换时间的策略，通过增加内存占用来提高程序的并发性能和线程安全性。

ThreadLocal的实现原理

ThreadLocal的实现原理是通过每个线程维护一个ThreadLocalMap来实现。ThreadLocal是一个泛型类，通过调用set方法将值存放在当前线程的ThreadLocalMap中，以ThreadLocal实例为key，值为value进行存储。而get方法则是通过ThreadLocal实例作为key从ThreadLocalMap中获取对应的值。

具体实现原理如下：

1. ThreadLocal类中定义了一个静态内部类ThreadLocalMap，该类是ThreadLocal的一个成员变量，用于存储线程局部变量。

2. 在调用ThreadLocal的set方法时，会首先获取当前线程的ThreadLocalMap对象。如果ThreadLocalMap对象存在，则以当前ThreadLocal实例为key，将value存储在ThreadLocalMap中。如果ThreadLocalMap对象不存在，则创建一个新的ThreadLocalMap对象，并将其与当前线程关联。

3. 在调用ThreadLocal的get方法时，同样会先获取当前线程的ThreadLocalMap对象。然后通过ThreadLocal实例作为key，从ThreadLocalMap中取出对应的值。

4. 在调用ThreadLocal的remove方法时，会先获取当前线程的ThreadLocalMap对象，然后从ThreadLocalMap中删除以当前ThreadLocal实例为key的键值对。

总结一下，ThreadLocal的实现原理就是通过每个线程维护一个ThreadLocalMap，使用ThreadLocal实例作为key，将值存储在ThreadLocalMap中，实现了线程间的隔离和数据的独立访问。这样就保证了每个线程都可以独立地访问自己的ThreadLocal变量，而不会受到其他线程的干扰。

public class main {
    // 创建一个ThreadLocal对象，用于存储线程局部变量
    private static ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 在主线程中设置ThreadLocal的值
        threadLocal.set("MainValue");

        // 创建两个子线程并启动
        Thread thread1 = new Thread(new MyRunnable("Thread1"));
        Thread thread2 = new Thread(new MyRunnable("Thread2"));
        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            // 等待两个子线程执行完毕
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 获取主线程中的ThreadLocal的值并打印
        System.out.println("主线程中的ThreadLocal的值：" + threadLocal.get());

        // 调用remove方法清除主线程中的ThreadLocal的值
        threadLocal.remove();

        // 再次获取主线程中的ThreadLocal的值并打印
        System.out.println("主线程中的ThreadLocal的值：" + threadLocal.get());
    }

    // 自定义Runnable类，用于在每个线程中访问ThreadLocal变量
    private static class MyRunnable implements Runnable {
        private String name;

        public MyRunnable(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            // 在当前线程中设置ThreadLocal的值
            threadLocal.set(name + "Value");

            // 在当前线程中获取ThreadLocal的值并打印
            System.out.println(name + "线程中的ThreadLocal的值：" + threadLocal.get());

            // 调用remove方法清除当前线程中的ThreadLocal的值
            threadLocal.remove();

            // 再次获取当前线程中的ThreadLocal的值并打印
            System.out.println(name + "线程中的ThreadLocal的值：" + threadLocal.get());
        }
    }
}

代码分析：

1. 在ThreadLocalExample类中，创建一个ThreadLocal对象 threadLocal，用于存储字符串类型的线程局部变量。
2. 在main方法中，首先在主线程中使用threadLocal.set("MainValue")设置threadLocal的值为"MainValue"。
3. 创建两个子线程 thread1 和 thread2，并分别传入不同的名称参数。
4. 在自定义的MyRunnable类中，构造方法接收一个名称参数，并将其保存在私有字段中。
5. 在run方法中，首先在当前线程中使用threadLocal.set(name + "Value")设置threadLocal的值为当前线程名和"Value"拼接而成的字符串。
6. 然后在当前线程中使用threadLocal.get()获取threadLocal的值，并将其打印出来。
7. 在当前线程中调用threadLocal.remove()方法，清除当前线程中的threadLocal的值。
8. 再次在当前线程中使用threadLocal.get()获取threadLocal的值，并将其打印出来。
9. 在main方法中，启动两个子线程并等待它们执行完毕。
10. 获取主线程中的threadLocal的值，并打印出来。
11. 调用threadLocal.remove()方法，清除主线程中的threadLocal的值。
12. 再次获取主线程中的threadLocal的值，并打印出来。

注意：使用了多线程来访问和设置ThreadLocal变量。由于多线程的执行顺序和调度是不确定的，因此每次运行的结果可能会不同。

因为在多线程环境下，每个线程都有自己的副本，称为线程局部变量。而ThreadLocal对象就是用来存储线程局部变量的。在代码中，主线程设置了threadLocal的值为"MainValue"，而两个子线程分别设置了threadLocal的值为"Thread1Value"和"Thread2Value"。

由于线程调度的不确定性，不同的线程可能会以不同的顺序运行，这导致了每次运行的结果可能会不同。例如，在某一次运行中，主线程先执行，然后是Thread1线程，最后是Thread2线程；而在另一次运行中，可能是Thread2线程先执行，然后是Thread1线程，最后是主线程。

因此，每次运行的输出结果取决于各个线程的执行顺序和调度情况，所以会出现不一样的结果。

ThreadLocalMap详解

ThreadLocalMap是ThreadLocal的核心实现类，用于存储线程局部变量。ThreadLocalMap是一个自定义的哈希表，它使用了开放地址法来解决哈希冲突。每个Thread对象都有自己的ThreadLocalMap对象，用于存储线程局部变量。

ThreadLocalMap中的每个元素都是一个Entry对象，Entry包含了线程局部变量的键值对，其中键是ThreadLocal对象，值是线程局部变量的值。Entry内部还包含了一些相关的操作方法，例如get()方法获取线程局部变量的值，set()方法设置线程局部变量的值等。下面分别介绍Entry的数据结构、set()方法、getEntry()方法和remove()方法。

Entry的数据结构

static class Entry extends WeakReference> {
    /** 与此 ThreadLocal 关联的值。*/
    Object value;

    Entry(ThreadLocal k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

可以看到，Entry类继承了WeakReference>，通过继承WeakReference来实现对ThreadLocal对象的弱引用，以便在不需要时可以被垃圾回收。value字段存储线程局部变量的值。 

set()方法

public void set(ThreadLocal key, Object value) {
    // 获取当前线程的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(Thread.currentThread());
    if (map != null)
        // 如果ThreadLocalMap不为null，则将key和value放入map中
        map.set(key, value);
    else
        // 如果ThreadLocalMap为null，则创建一个新的ThreadLocalMap对象，并将key和value放入其中
        createMap(key, value);
}

set()方法用于设置线程局部变量的值，首先通过getMap(Thread.currentThread())方法获取当前线程的ThreadLocalMap对象，如果该对象不为null，则将键值对放入ThreadLocalMap中；否则，调用createMap(key, value)方法创建一个新的ThreadLocalMap对象，并将键值对放入其中。 

getEntry()方法

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;
}

getEntry()方法用于获取与指定ThreadLocal对象关联的Entry对象。首先通过key.threadLocalHashCode & (table.length - 1)计算哈希值，然后在table数组中查找对应位置上的Entry对象。如果找到的Entry对象不为null且其引用的ThreadLocal对象与指定ThreadLocal对象相同，则返回该Entry对象；否则，调用getEntryAfterMiss(key, i, e)方法在table数组中的其他位置继续查找。

如果在查找的过程中发现Entry对象的引用为null，则需要调用expungeStaleEntry(i)方法将table数组中对应位置的Entry对象置为null。如果最终仍然没有找到与指定ThreadLocal对象关联的Entry对象，则返回null。

remove()方法

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

remove()方法用于清除当前线程中指定ThreadLocal对象的值。首先通过getMap(Thread.currentThread())方法获取当前线程的ThreadLocalMap对象，如果该对象不为null，则调用m.remove(this)方法将指定ThreadLocal对象的值清除掉；否则，不做任何操作。

ThreadLocal的应用场景 

ThreadLocal的主要作用是提供线程局部变量，即每个线程都拥有自己的变量副本，互相之间不会相互干扰。 ThreadLocal 的使用场景如下：

• 并发控制：在多线程环境下，可以使用ThreadLocal来存储每个线程独有的变量，避免线程间数据的共享和竞争条件。
• 上下文信息传递：在跨多个方法或模块的代码中，可以使用ThreadLocal传递上下文信息，而不必显式地传递参数。这在某些框架和工具，如Web应用程序中的请求上下文或用户信息等方面特别有用。
• 数据库连接管理：在多线程环境下，使用ThreadLocal可以为每个线程维护一个独立的数据库连接，确保线程安全和高效的数据库操作。
• 事务管理：在基于线程的事务管理中，可以使用ThreadLocal存储事务上下文，使得不同的线程能够独立地进行事务处理，而不会冲突。
• 线程安全的日期格式化：SimpleDateFormat是非线程安全的，但可以通过ThreadLocal在每个线程中创建一个独立的SimpleDateFormat实例，以便进行日期的格式化和解析。
• 缓存管理：可以使用ThreadLocal来缓存一些需要在同一线程中共享的数据，避免频繁的计算或查询操作。

需要注意的是，在使用ThreadLocal时，要避免内存泄漏问题。因为ThreadLocal弱引用的特性，如果没有及时清理线程的引用，可能会导致对象无法回收，造成内存泄漏。因此，在不再使用ThreadLocal时，要调用remove()方法主动清除数据，或者使用ThreadLocal的initialValue()方法设置初始值，以确保资源能够正确释放。