ThreadLoacl那些事儿

ThreadLocal，直译为“线程本地”或“本地线程”，如果你真的这么认为，那就错了！其实，它就是一个容器，用于存放线程的局部变量，我认为应该叫做 ThreadLocalVariable（线程局部变量）才对，真不理解为什么当初 Sun 公司的工程师这样命名。

早在 JDK 1.2 的时代，java.lang.ThreadLocal 就诞生了，它是为了解决多线程并发问题而设计的，只不过设计得有些难用，所以至今没有得到广泛使用。其实它还是挺有用的，不相信的话，我们一起来看看这个例子吧。

一个序列号生成器的程序，可能同时会有多个线程并发访问它，要保证每个线程得到的序列号都是自增的，而不能相互干扰。

先定义一个接口：

public interface Sequence {

    int getNumber();
}

每次调用 getNumber() 方法可获取一个序列号，下次再调用时，序列号会自增。

再做一个线程类：

public class ClientThread extends Thread {

    private Sequence sequence;

    public ClientThread(Sequence sequence) {
        this.sequence = sequence;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " => " + sequence.getNumber());
        }
    }
}

在线程中连续输出三次线程名与其对应的序列号。

我们先不用 ThreadLocal，来做一个实现类吧。

public class SequenceA implements Sequence {

    private static int number = 0;

    public int getNumber() {
        number = number + 1;
        return number;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Sequence sequence = new SequenceA();

        ClientThread thread1 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread2 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread3 = new ClientThread(sequence);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

序列号初始值是0，在 main() 方法中模拟了三个线程，运行后结果如下：

Thread-0 => 1
Thread-0 => 2
Thread-0 => 3
Thread-2 => 4
Thread-2 => 5
Thread-2 => 6
Thread-1 => 7
Thread-1 => 8
Thread-1 => 9

由于线程启动顺序是随机的，所以并不是0、1、2这样的顺序，这个好理解。为什么当 Thread-0 输出了1、2、3之后，而 Thread-2 却输出了4、5、6呢？线程之间竟然共享了 static 变量！这就是所谓的“非线程安全”问题了。

那么如何来保证“线程安全”呢？对应于这个案例，就是说不同的线程可拥有自己的 static 变量，如何实现呢？下面看看另外一个实现吧。

public class SequenceB implements Sequence {

    private static ThreadLocal<Integer> numberContainer = new ThreadLocal<Integer>() {
        @Override protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };

    public int getNumber() {
        numberContainer.set(numberContainer.get() + 1);
        return numberContainer.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Sequence sequence = new SequenceB();

        ClientThread thread1 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread2 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread3 = new ClientThread(sequence);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

通过 ThreadLocal 封装了一个 Integer 类型的 numberContainer 静态成员变量，并且初始值是0。再看 getNumber() 方法，首先从 numberContainer 中 get 出当前的值，加1，随后 set 到 numberContainer 中，最后将 numberContainer 中 get 出当前的值并返回。

是不是很恶心？但是很强大！确实稍微饶了一下，我们不妨把 ThreadLocal 看成是一个容器，这样理解就简单了。所以，这里故意用 Container 这个单词作为后缀来命名 ThreadLocal 变量。

运行结果如何呢？看看吧。

Thread-0 => 1
Thread-0 => 2
Thread-0 => 3
Thread-2 => 1
Thread-2 => 2
Thread-2 => 3
Thread-1 => 1
Thread-1 => 2
Thread-1 => 3

每个线程相互独立了，同样是 static 变量，对于不同的线程而言，它没有被共享，而是每个线程各一份，这样也就保证了线程安全。 也就是说，TheadLocal 为每一个线程提供了一个独立的副本！

搞清楚 ThreadLocal 的原理之后，有必要总结一下 ThreadLocal 的 API，其实很简单。

1. public void set(T value)：将值放入线程局部变量中
2. public T get()：从线程局部变量中获取值
3. public void remove()：从线程局部变量中移除值（有助于 JVM 垃圾回收）
4. protected T initialValue()：返回线程局部变量中的初始值（默认为 null）

为什么 initialValue() 方法是 protected 的呢？就是为了提醒程序员们，这个方法是要你们来实现的，请给这个线程局部变量一个初始值吧。

了解了原理与这些 API，其实想想 ThreadLocal 里面不就是封装了一个 Map 吗？自己都可以写一个 ThreadLocal 了，尝试一下吧。

public class MyThreadLocal<T> {

    private Map<Thread, T> container = Collections.synchronizedMap(new HashMap<Thread, T>());

    public void set(T value) {
        container.put(Thread.currentThread(), value);
    }

    public T get() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        T value = container.get(thread);
        if (value == null && !container.containsKey(thread)) {
            value = initialValue();
            container.put(thread, value);
        }
        return value;
    }

    public void remove() {
        container.remove(Thread.currentThread());
    }

    protected T initialValue() {
        return null;
    }
}

以上完全山寨了一个 ThreadLocal，其中中定义了一个同步 Map（为什么要这样？请读者自行思考），代码应该非常容易读懂。

下面用这 MyThreadLocal 再来实现一把看看。

public class SequenceC implements Sequence {

    private static MyThreadLocal<Integer> numberContainer = new MyThreadLocal<Integer>() {
        @Override protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };

    public int getNumber() {
        numberContainer.set(numberContainer.get() + 1);
        return numberContainer.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Sequence sequence = new SequenceC();

        ClientThread thread1 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread2 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread3 = new ClientThread(sequence);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

以上代码其实就是将 ThreadLocal 替换成了 MyThreadLocal，仅此而已，运行效果和之前的一样，也是正确的。

其实 ThreadLocal 可以单独成为一种设计模式，就看你怎么看了。

ThreadLocal 具体有哪些使用案例呢？

我想首先要说的就是：通过 ThreadLocal 存放 JDBC Connection，以达到事务控制的能力。

如何实现呢？下回分解！

ThreadLocal 那点事儿（续集）

注意：当您在一个类中使用了 static 成员变量的时候，一定要多问问自己，这个 static 成员变量需要考虑“线程安全”吗？（也就是说，多个线程需要独享自己的 static 成员变量吗？）如果需要考虑，那就请用 ThreadLocal 吧！