ThreadLocal
感谢传智播客老师深入细致的讲解
ThreadLocal
1. ThreadLocal介绍
1.1 官方介绍
/**
* 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).
*
* For example, the class below generates unique identifiers local to each
* thread.
* A thread's id is assigned the first time it invokes {@code ThreadId.get()}
* and remains unchanged on subsequent calls.
*
* import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
*
* public class ThreadId {
* // Atomic integer containing the next thread ID to be assigned
* private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);
*
* // Thread local variable containing each thread's ID
* private static final ThreadLocal<Integer> threadId =
* new ThreadLocal<Integer>() {
* @Override protected Integer initialValue() {
* return nextId.getAndIncrement();
* }
* };
*
* // Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessary
* public static int get() {
* return threadId.get();
* }
* }
*
* Each thread holds an implicit reference to its copy of a thread-local
* variable as long as the thread is alive and the {@code ThreadLocal}
* instance is accessible; after a thread goes away, all of its copies of
* thread-local instances are subject to garbage collection (unless other
* references to these copies exist).
*
* @author Josh Bloch and Doug Lea
* @since 1.2
*/
public class ThreadLocal<T> {
...
从Java官方文档中的描述：ThreadLocal类用来提供线程内部的局部变量。这种变量在多线程环境下访问（通过get和set方法访问）时能保证各个线程的变量相对独立于其他线程内的变量。ThreadLocal实例通常来说都是private static类型的，用于关联线程和线程上下文。
ThreadLocal 的作用是：提供线程内的局部变量，不同的线程之间不会相互干扰，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或组件之间一些公共变量传递的复杂度。
总结:
1. 线程并发: 在多线程并发的场景下
2. 传递数据: 我们可以通过ThreadLocal在同一线程，不同组件中传递公共变量
3. 线程隔离: 每个线程的变量都是独立的，不会相互影响
1.2 基本使用
1.2.1 常用方法
| 方法声明 | 描述 |
|---|---|
| ThreadLocal() | 创建ThreadLocal对象 |
| public void set( T value) | 设置当前线程绑定的局部变量 |
| public T get() | 获取当前线程绑定的局部变量 |
| public void remove() | 移除当前线程绑定的局部变量 |
1.2.2 使用案例
public class MyDemo {
private String content;
private String getContent() {
return content;
}
private void setContent(String content) {
this.content = content;
}
public static void main(String[] args) {
MyDemo demo = new MyDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
System.out.println("-----------------------");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
}
});
thread.setName("线程" + i);
thread.start();
}
}
}
打印结果:
从结果可以看出多个线程在访问同一个变量的时候出现的异常，线程间的数据没有隔离。下面我们来看下采用 ThreadLocal 的方式来解决这个问题的例子。
public class MyDemo {
private static ThreadLocal<String> tl = new ThreadLocal<>();
private String content;
private String getContent() {
return tl.get();
}
private void setContent(String content) {
tl.set(content);
}
public static void main(String[] args) {
MyDemo demo = new MyDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
System.out.println("-----------------------");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
}
});
thread.setName("线程" + i);
thread.start();
}
}
}
打印结果:
从结果来看，这样很好的解决了多线程之间数据隔离的问题，十分方便。
1.3 ThreadLocal类与synchronized关键字
1.3.1 synchronized同步方式
我们完全可以通过加锁来实现这个功能。
public class Demo02 {
private String content;
public String getContent() {
return content;
}
public void setContent(String content) {
this.content = content;
}
public static void main(String[] args) {
Demo02 demo02 = new Demo02();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(){
@Override
public void run() {
synchronized (Demo02.class){
demo02.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
System.out.println("-------------------------------------");
String content = demo02.getContent();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + content);
}
}
};
t.setName("线程" + i);
t.start();
}
}
}
打印结果:
从结果可以发现, 加锁确实可以解决这个问题，但是在这里我们强调的是线程数据隔离的问题，并不是多线程共享数据的问题, 在这个案例中使用synchronized关键字是不合适的。
1.3.2 ThreadLocal与synchronized的区别
虽然ThreadLocal模式与synchronized关键字都用于处理多线程并发访问变量的问题, 不过两者处理问题的角度和思路不同。
| synchronized | ThreadLocal | |
|---|---|---|
| 原理 | 同步机制采用’以时间换空间’的方式, 只提供了一份变量,让不同的线程排队访问 | ThreadLocal采用’以空间换时间’的方式, 为每一个线程都提供了一份变量的副本,从而实现同时访问而相不干扰 |
| 侧重点 | 多个线程之间访问资源的同步性 | 多线程中让每个线程之间的数据相互隔离 |
总结： 虽然使用ThreadLocal和synchronized都能解决问题,但是使用ThreadLocal更为合适,因为这样可以使程序拥有更高的并发性。
2. 运用场景_事务案例
ThreadLocal具体的应用是在哪里呢？一个ThreadLocal的经典运用场景： 事务。
（1） JDBC中关于事务的操作的api
| Connection接口的方法 | 作用 |
|---|---|
| void setAutoCommit(false) | 禁用事务自动提交（改为手动） |
| void commit(); | 提交事务 |
| void rollback(); | 回滚事务 |
（2） 开启事务的注意点:
-
为了保证所有的操作在一个事务中,使用的连接必须是同一个: service层开启事务的connection需要跟dao层访问数据库的connection保持一致
-
线程并发情况下, 每个线程只能操作各自的 connection
2.2 常规解决方案
2.2.1 常规方案的实现
- 从service层将connection对象向dao层传递
- 加锁
2.2.2 常规方案的弊端
这样实现的弊端：
-
直接从service层传递connection到dao层, 造成代码耦合度提高
-
加锁会造成线程失去并发性，程序性能降低
2.3 ThreadLocal解决方案
2.3.1 ThreadLocal方案的实现
像这种需要在项目中进行数据传递和线程隔离的场景，我们不妨用ThreadLocal来解决，将获取到的Connection放入ThreadLocal中，后续相同线程获取的Connection肯定都是这个，不仅安全而且高效。
2.3.2 ThreadLocal方案的好处
从上述的案例中我们可以看到， 在一些特定场景下，ThreadLocal方案有两个突出的优势：
-
传递数据 ： 保存每个线程绑定的数据，在需要的地方可以直接获取, 避免参数直接传递带来的代码耦合问题
-
线程隔离 ： 各线程之间的数据相互隔离却又具备并发性，避免同步方式带来的性能损失
另外一个ThreadLocal的经典场景是token登录验证后获取用户信息，可以进此用户信息保存在ThreadLocal中。
3. ThreadLocal的内部结构
下面看一下ThreadLocal的内部结构，探究它能够实现线程数据隔离的原理。
3.1 常见的误解
通常，如果我们不去看源代码的话，我猜ThreadLocal是这样子设计的：每个ThreadLocal类都创建一个Map，然后用线程的ID threadID作为Map的key，要存储的局部变量作为Map的value，这样就能达到各个线程的局部变量隔离的效果。这是最简单的设计方法，JDK最早期的ThreadLocal就是这样设计的。
3.2 核心结构
但是，JDK后面优化了设计方案，现时JDK8 ThreadLocal的设计是：每个Thread维护一个ThreadLocalMap哈希表，这个哈希表的key是ThreadLocal实例本身，value才是真正要存储的值Object。
（1） 每个Thread线程内部都有一个Map (ThreadLocalMap)
（2） Map里面存储ThreadLocal对象（key）和线程的变量副本（value）
（3）Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。
（4）对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。
3.3 这样设计的好处
这个设计与我们一开始说的设计刚好相反，这样设计有如下两个优势：
（1） 这样设计之后每个Map存储的Entry数量就会变少，因为之前的存储数量由Thread的数量决定，现在是由ThreadLocal的数量决定，一般情况下ThreadLocal的数量是远远小于线程数量的。
（2） 当Thread销毁之后，对应的ThreadLocalMap也会随之销毁，能减少内存的使用。
4. ThreadLocal的核心方法源码
基于ThreadLocal的内部结构，我们继续探究一下ThreadLocal的核心方法源码，更深入的了解其操作原理。
除了构造之外， ThreadLocal对外暴露的方法有以下4个：
| 方法声明 | 描述 |
|---|---|
| protected T initialValue() | 返回当前线程局部变量的初始值 |
| public void set( T value) | 设置当前线程绑定的局部变量 |
| public T get() | 获取当前线程绑定的局部变量 |
| public void remove() | 移除当前线程绑定的局部变量 |
其实get，set和remove逻辑是比较相似的，我们要研究清楚其中一个，其他也就明白了。
4.1 get方法
（1 ) 源码和对应的中文注释
/**
* 返回当前线程中保存ThreadLocal的值
* 如果当前线程没有此ThreadLocal变量，
* 则它会通过调用{@link #initialValue} 方法进行初始化值
*
* @return 返回当前线程对应此ThreadLocal的值
*/
public T get() {
// 获取当前线程对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 如果此map存在
if (map != null) {
// 以当前的ThreadLocal 为 key，调用getEntry获取对应的存储实体e
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
// 找到对应的存储实体 e
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
// 获取存储实体 e 对应的 value值
// 即为我们想要的当前线程对应此ThreadLocal的值
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
// 如果map不存在，则证明此线程没有维护的ThreadLocalMap对象
// 调用setInitialValue进行初始化
return setInitialValue();
}
/**
* set的变样实现，用于初始化值initialValue，
* 用于代替防止用户重写set()方法
*
* @return the initial value 初始化后的值
*/
private T setInitialValue() {
// 调用initialValue获取初始化的值
T value = initialValue();
// 获取当前线程对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 如果此map存在
if (map != null)
// 存在则调用map.set设置此实体entry
map.set(this, value);
else
// 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
// 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
// 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
createMap(t, value);
// 返回设置的值value
return value;
}
/**
* 获取当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap
*
* @param t the current thread 当前线程
* @return the map 对应维护的ThreadLocalMap
*/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
/**
*创建当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap
*
* @param t 当前线程
* @param firstValue 存放到map中第一个entry的值
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
//这里的this是调用此方法的threadLocal
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
（2 ) 代码执行流程
A. 首先获取当前线程
B. 根据当前线程获取一个Map
C. 如果获取的Map不为空，则在Map中以ThreadLocal的引用作为key来在Map中获取对应的value e，否则转到E
D. 如果e不为null，则返回e.value，否则转到E
E. Map为空或者e为空，则通过initialValue函数获取初始值value，然后用ThreadLocal的引用和value作为firstKey和firstValue创建一个新的Map
总结: 先获取当前线程的 ThreadLocalMap 变量，如果存在则返回值，不存在则创建并返回初始值。
4.2 set方法
（1 ) 源码和对应的中文注释
/**
* 设置当前线程对应的ThreadLocal的值
*
* @param value 将要保存在当前线程对应的ThreadLocal的值
*/
public void set(T value) {
// 获取当前线程对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 如果此map存在
if (map != null)
// 存在则调用map.set设置此实体entry
map.set(this, value);
else
// 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
// 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
// 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
createMap(t, value);
}
（2 ) 代码执行流程
A. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map
B. 如果获取的Map不为空，则将参数设置到Map中（当前ThreadLocal的引用作为key）
C. 如果Map为空，则给该线程创建 Map，并设置初始值
4.3 remove方法
（1 ) 源码和对应的中文注释
/**
* 删除当前线程中保存的ThreadLocal对应的实体entry
*/
public void remove() {
// 获取当前线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
// 如果此map存在
if (m != null)
// 存在则调用map.remove
// 以当前ThreadLocal为key删除对应的实体entry
m.remove(this);
}
（2 ) 代码执行流程
A. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map
B. 如果获取的Map不为空，则移除当前ThreadLocal对象对应的entry
4.4 initialValue方法
/**
* 返回当前线程对应的ThreadLocal的初始值
* 此方法的第一次调用发生在，当线程通过{@link #get}方法访问此线程的ThreadLocal值时
* 除非线程先调用了 {@link #set}方法，在这种情况下，
* {@code initialValue} 才不会被这个线程调用。
* 通常情况下，每个线程最多调用一次这个方法。
*
* 这个方法仅仅简单的返回null {@code null};
* 如果程序员想ThreadLocal线程局部变量有一个除null以外的初始值，
* 必须通过子类继承{@code ThreadLocal} 的方式去重写此方法
* 通常, 可以通过匿名内部类的方式实现
*
* @return 当前ThreadLocal的初始值
*/
protected T initialValue() {
return null;
}
此方法的作用是 返回该线程局部变量的初始值。
（1） 这个方法是一个延迟调用方法，从上面的代码我们得知，在set方法还未调用而先调用了get方法时才执行，并且仅执行1次。
（2）这个方法缺省实现直接返回一个null。
（3）如果想要一个除null之外的初始值，可以重写此方法。（备注： 该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的）
5. ThreadLocalMap源码分析
5.1 基本结构
ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也是独立实现。
（1） 成员变量
/**
* 初始容量 —— 必须是2的整次幂
*/
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* 存放数据的table，Entry类的定义在下面分析
* 同样，数组长度必须是2的冥。
*/
private Entry[] table;
/**
* 数组里面entrys的个数，可以用于判断table当前使用量是否超过负因子。
*/
private int size = 0;
/**
* 进行扩容的阈值，表使用量大于它的时候进行扩容。
*/
private int threshold; // Default to 0
/**
* 阈值设置为长度的2/3
*/
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}
（2） 存储结构 - Entry
// 在ThreadLocalMap中，也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象，这点被Entry的构造方法已经限定死了
// 另外，Entry继承WeakReference,使用弱引用，可以将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑，持有对ThreadLocal的弱引用，可以使得ThreadLocal在没有其他强引用的时候被回收掉，这样可以避免因为线程得不到销毁导致ThreadLocal对象无法被回收
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
ThreadLocal内存泄露与Entry是WeakReference有关吗
假设使用强引用
假设使用弱引用
事实上，如果使用后remove方法被调用，强引用和弱引用都是可以的。使用弱引用在ThreadLocalRef断开的情况下，如果Entry没被删除，可以将ThrealLocal实例GC掉，多一层保障。在ThreadLocalMap的getEntry和setEntry方法中，会对key为null（即ThrealLocal=null）的对value也置为null。也就避免了内存泄露。但是我们还是需要记住，使用后一定要remove掉。
内存泄露的发生跟ThreadLocal中的Entry是否是弱引用无关，其真正的原因如下
- 没有手动删除Entry
- CurrentThread还在运行，Map作为Thread的一个成员，其生命周期和线程一样长
由于Map作为Thread的一个成员，其生命周期和线程一样长，如果没有手动删除Entry，那么就会导致内存泄露。
5.2 hash冲突的解决
ThreadLocal使用的是自定义的ThreadLocalMap，接下来我们来探究一下ThreadLocalMap的hash冲突解决方式。
（1） 先回顾ThreadLocal的set() 方法
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocal.ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
- 代码很简单，获取当前线程，并获取当前线程的ThreadLocalMap实例（从getMap(Thread t)中很容易看出来）。
- 如果获取到的map实例不为空，调用map.set()方法，否则调用构造函数 ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue)实例化map。
可以看出来线程中的ThreadLocalMap使用的是延迟初始化，在第一次调用get()或者set()方法的时候才会进行初始化。
（2） 下面来看看构造函数ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue)
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
//初始化table
table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY];
//计算索引
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
//设置值
table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
size = 1;
//设置阈值
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
主要说一下计算索引，firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1)。
- 关于
& (INITIAL_CAPACITY - 1),这是取模的一种方式，对于2的幂作为模数取模，用此代替%(2^n)，这也就是为啥容量必须为2的冥，在这个地方也得到了解答。 - 关于
firstKey.threadLocalHashCode：
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
这里定义了一个AtomicInteger类型，每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT，HASH_INCREMENT = 0x61c88647,这个值和斐波那契散列有关（这是一种乘数散列法，只不过这个乘数比较特殊，是32位整型上限2^32-1乘以黄金分割比例0.618…的值2654435769，用有符号整型表示就是-1640531527，去掉符号后16进制表示为0x61c88647），其主要目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组里, 也就是Entry[] table中，这样做可以尽量避免hash冲突。
（3） ThreadLocalMap中的set()
ThreadLocalMap使用开发地址-线性探测法来解决哈希冲突，线性探测法的地址增量di = 1, 2, … 其中，i为探测次数。该方法一次探测下一个地址，直到有空的地址后插入，若整个空间都找不到空余的地址，则产生溢出。假设当前table长度为16，也就是说如果计算出来key的hash值为14，如果table[14]上已经有值，并且其key与当前key不一致，那么就发生了hash冲突，这个时候将14加1得到15，取table[15]进行判断，这个时候如果还是冲突会回到0，取table[0],以此类推，直到可以插入。
按照上面的描述，可以把table看成一个环形数组。
先看一下线性探测相关的代码，从中也可以看出来table实际是一个环：
/**
* 获取环形数组的下一个索引
*/
private static int nextIndex(int i, int len) {
return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}
/**
* 获取环形数组的上一个索引
*/
private static int prevIndex(int i, int len) {
return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}
ThreadLocalMap的set()代码如下：
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//计算索引，上面已经有说过。
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
/**
* 根据获取到的索引进行循环，如果当前索引上的table[i]不为空，在没有return的情况下，
* 就使用nextIndex()获取下一个（上面提到到线性探测法）。
*/
for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//table[i]上key不为空，并且和当前key相同，更新value
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
/**
* table[i]上的key为空，说明被回收了
* 这个时候说明改table[i]可以重新使用，用新的key-value将其替换,并删除其他无效的entry
*/
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}