Java基础：ThreadLocal

ThreadLocal，顾名思义，它不是一个线程，而是线程的一个本地化对象。当工作于多线程中的对象使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程分配一个独立的变量副本，所以每一个线程都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。从线程的角度看，这个变量就像是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。

线程局部变量并不是Java的新发明，很多语言（如，Fortran）在语法层面就提供线程局部变量。在Java中没有提供语言级支持，而以一种变通的方法，通过ThreadLocal的类提供支持。所以，在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些，这也是为什么线程局域变量没有在Java开发者中得到很好普及的原因。

1 ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法：

• public void set(T value)

        设置当前线程的线程局部变量的值

• public T get( )

        返回当前线程所对应的线程局域变量

• public void remove( )

        将当前线程局部变量的值删除，目的是减少内存的占用。当线程结束后，对应线程的局域变量将自动被垃圾回收，所以显式地调用该方法清除线程的局域变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。

• protected T initialValue( )

        该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第一次调用get( )或set(T)时，才执行，而且仅执行一次。TreadLocal中的默认实现直接返回一个null。

2 ThreadLocal基本原理

ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护一份独立的变量副本呢？其实实现思路很简单：在ThreadLocal类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量副本，Map中元素的键为线程对象，而值为对应线程的变量副本。

简单的实现版本：

public class SimpleThreadLocal<T> {
    private Map<Thread, T> valueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
    public void set(T newValue) {
        valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);
    }
    public T get() {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        T o = valueMap.get(currentThread);
        if (o == null && !valueMap.containsKey(currentThread)) {
            o = initialValue();
            valueMap.put(currentThread, o);
        }
        return o;
    }
    public void remove() {
        valueMap.remove(Thread.currentThread());
    }
    protected T initialValue() {
        return null;
    }
}

虽然这个ThreadLocal实现版本显得比较幼稚，但它和JDK所提供的ThreadLocal类在实现思路上是非常相近的。

3 一个ThreadLocal实例

public class SequenceNumber {
    private ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {
        public Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };
    public int getNextNum() {
        seqNum.set(seqNum.get() + 1);
        return seqNum.get();
    }
}

public class TestClient extends Thread {
    private SequenceNumber sequenceNumber;
    public TestClient(SequenceNumber sequenceNumber) {
        this.sequenceNumber = sequenceNumber;
    }
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() 
            + "] sequenceNumber[" + sequenceNumber.getNextNum() + "]");
        }
    }
}

public class MainTest {
    public static void main(String[] args) {
        SequenceNumber sequenceNumber = new SequenceNumber();
        TestClient t1 = new TestClient(sequenceNumber);
        TestClient t2 = new TestClient(sequenceNumber);
        TestClient t3 = new TestClient(sequenceNumber);
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

输出结果：

thread[Thread-0] sequenceNumber[1]

thread[Thread-2] sequenceNumber[1]

thread[Thread-1] sequenceNumber[1]

thread[Thread-2] sequenceNumber[2]

thread[Thread-0] sequenceNumber[2]

thread[Thread-2] sequenceNumber[3]

thread[Thread-1] sequenceNumber[2]

thread[Thread-0] sequenceNumber[3]

thread[Thread-1] sequenceNumber[3]

每个线程所产生的序号虽然都共享同一个SequenceNumber实例，但它们并没有发生互相干扰的情况，而是各自产生独立的序列号，这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。

4 与Thread同步机制的比较

ThreadLocal与线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题，那么ThreadLocal与线程同步机制相比有什么优势呢？

在线程同步机制中，通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时，该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序缜密地分析什么时候对变量进行读写，什么时候需要锁定某个对象，什么时候释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。

而ThreadLocal则从另一个角度解决多线程的并发访问。ThreadLocal为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对访问数据的冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的对象封装，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

概括起来说，对应多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式：访问串行化，对象共享化。而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式：访问并行化，对象独享化。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。