Java并發編程：深入剖析ThreadLocal

想必很多朋友對ThreadLocal并不陌生，今天我們就來一起探討下ThreadLocal的使用方法和實現原理。首先，本文先談一下對ThreadLocal的理解，然后根據ThreadLocal類的源碼分析了其實現原理和使用需要注意的地方，最后給出了兩個應用場景。

以下是本文目錄大綱：

一.對ThreadLocal的理解

二.深入解析ThreadLocal類

三.ThreadLocal的應用場景

若有不正之處請多多諒解，并歡迎批評指正。

一.對ThreadLocal的理解

ThreadLocal，很多地方叫做線程本地變量，也有些地方叫做線程本地存儲，其實意思差不多。可能很多朋友都知道ThreadLocal為變量在每個線程中都創建了一個副本，那么每個線程可以訪問自己內部的副本變量。

這句話從字面上看起來很容易理解，但是真正理解并不是那么容易。

我們還是先來看一個例子：

class ConnectionManager {

private static Connection connect = null;
public static Connection openConnection() {
 if(connect == null){
 connect = DriverManager.getConnection();
 }
 return connect;
 }
public static void closeConnection() {
 if(connect!=null)
 connect.close();
 }
}</pre> 
 
假設有這樣一個數據庫鏈接管理類，這段代碼在單線程中使用是沒有任何問題的，但是如果在多線程中使用呢？很顯然，在多線程中使用會存在線程安全問題：第一，這里面的2個方法都沒有進行同步，很可能在openConnection方法中會多次創建connect；第二，由于connect是共享變量，那么必然在調用connect的地方需要使用到同步來保障線程安全，因為很可能一個線程在使用connect進行數據庫操作，而另外一個線程調用closeConnection關閉鏈接。

所以出于線程安全的考慮，必須將這段代碼的兩個方法進行同步處理，并且在調用connect的地方需要進行同步處理。
這樣將會大大影響程序執行效率，因為一個線程在使用connect進行數據庫操作的時候，其他線程只有等待。
那么大家來仔細分析一下這個問題，這地方到底需不需要將connect變量進行共享？事實上，是不需要的。假如每個線程中都有一個connect變量，各個線程之間對connect變量的訪問實際上是沒有依賴關系的，即一個線程不需要關心其他線程是否對這個connect進行了修改的。
到這里，可能會有朋友想到，既然不需要在線程之間共享這個變量，可以直接這樣處理，在每個需要使用數據庫連接的方法中具體使用時才創建數據庫鏈接，然后在方法調用完畢再釋放這個連接。比如下面這樣：
class ConnectionManager {

private Connection connect = null;
public Connection openConnection() {
 if(connect == null){
 connect = DriverManager.getConnection();
 }
 return connect;
 }
public void closeConnection() {
 if(connect!=null)
 connect.close();
 }
}
class Dao{
 public void insert() {
 ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();
 Connection connection = connectionManager.openConnection();
//使用connection進行操作
connectionManager.closeConnection();
 }
}</pre> 
 
這樣處理確實也沒有任何問題，由于每次都是在方法內部創建的連接，那么線程之間自然不存在線程安全問題。但是這樣會有一個致命的影響：導致服務器壓力非常大，并且嚴重影響程序執行性能。由于在方法中需要頻繁地開啟和關閉數據庫連接，這樣不盡嚴重影響程序執行效率，還可能導致服務器壓力巨大。

那么這種情況下使用ThreadLocal是再適合不過的了，因為ThreadLocal在每個線程中對該變量會創建一個副本，即每個線程內部都會有一個該變量，且在線程內部任何地方都可以使用，線程之間互不影響，這樣一來就不存在線程安全問題，也不會嚴重影響程序執行性能。
但是要注意，雖然ThreadLocal能夠解決上面說的問題，但是由于在每個線程中都創建了副本，所以要考慮它對資源的消耗，比如內存的占用會比不使用ThreadLocal要大。
二.深入解析ThreadLocal類
在上面談到了對ThreadLocal的一些理解，那我們下面來看一下具體ThreadLocal是如何實現的。
先了解一下ThreadLocal類提供的幾個方法：
public T get() { }
public void set(T value) { }
public void remove() { }
protected T initialValue() { }
 
 
get()方法是用來獲取ThreadLocal在當前線程中保存的變量副本，set()用來設置當前線程中變量的副本，remove()用來移除當前線程中變量的副本，initialValue()是一個protected方法，一般是用來在使用時進行重寫的，它是一個延遲加載方法，下面會詳細說明。

首先我們來看一下ThreadLocal類是如何為每個線程創建一個變量的副本的。
先看下get方法的實現：
  
第一句是取得當前線程，然后通過getMap(t)方法獲取到一個map，map的類型為ThreadLocalMap。然后接著下面獲取到<key,value>鍵值對，注意這里獲取鍵值對傳進去的是 this，而不是當前線程t。
如果獲取成功，則返回value值。
如果map為空，則調用setInitialValue方法返回value。
我們上面的每一句來仔細分析：
首先看一下getMap方法中做了什么：
  
可能大家沒有想到的是，在getMap中，是調用當期線程t，返回當前線程t中的一個成員變量threadLocals。
那么我們繼續取Thread類中取看一下成員變量threadLocals是什么：
  
實際上就是一個ThreadLocalMap，這個類型是ThreadLocal類的一個內部類，我們繼續取看ThreadLocalMap的實現：
  
可以看到ThreadLocalMap的Entry繼承了WeakReference，并且使用ThreadLocal作為鍵值。
然后再繼續看setInitialValue方法的具體實現：
  
很容易了解，就是如果map不為空，就設置鍵值對，為空，再創建Map，看一下createMap的實現：
  
至此，可能大部分朋友已經明白了ThreadLocal是如何為每個線程創建變量的副本的：
首先，在每個線程Thread內部有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap類型的成員變量threadLocals，這個threadLocals就是用來存儲實際的變量副本的，鍵值為當前ThreadLocal變量，value為變量副本（即T類型的變量）。
初始時，在Thread里面，threadLocals為空，當通過ThreadLocal變量調用get()方法或者set()方法，就會對Thread類中的threadLocals進行初始化，并且以當前ThreadLocal變量為鍵值，以ThreadLocal要保存的副本變量為value，存到threadLocals。
然后在當前線程里面，如果要使用副本變量，就可以通過get方法在threadLocals里面查找。
下面通過一個例子來證明通過ThreadLocal能達到在每個線程中創建變量副本的效果：
public class Test {
 ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();
 ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();

public void set() {
 longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
 stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
 }
public long getLong() {
 return longLocal.get();
 }
public String getString() {
 return stringLocal.get();
 }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 final Test test = new Test();
test.set();
 System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
Thread thread1 = new Thread(){
 public void run() {
 test.set();
 System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
 };
 };
 thread1.start();
 thread1.join();
System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
 }
}</pre> 
 
這段代碼的輸出結果為：

  
從這段代碼的輸出結果可以看出，在main線程中和thread1線程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一樣。最后一次在main線程再次打印副本值是為了證明在main線程中和thread1線程中的副本值確實是不同的。
總結一下：
1）實際的通過ThreadLocal創建的副本是存儲在每個線程自己的threadLocals中的；
2）為何threadLocals的類型ThreadLocalMap的鍵值為ThreadLocal對象，因為每個線程中可有多個threadLocal變量，就像上面代碼中的longLocal和stringLocal；
3）在進行get之前，必須先set，否則會報空指針異常；
如果想在get之前不需要調用set就能正常訪問的話，必須重寫initialValue()方法。
因為在上面的代碼分析過程中，我們發現如果沒有先set的話，即在map中查找不到對應的存儲，則會通過調用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一個語句是T value = initialValue()， 而默認情況下，initialValue方法返回的是null。
  
看下面這個例子：
public class Test {
 ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();
 ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();

public void set() {
 longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
 stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
 }
public long getLong() {
 return longLocal.get();
 }
public String getString() {
 return stringLocal.get();
 }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 final Test test = new Test();
System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
Thread thread1 = new Thread(){
 public void run() {
 test.set();
 System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
 };
 };
 thread1.start();
 thread1.join();
System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
 }
}</pre> 
 
在main線程中，沒有先set，直接get的話，運行時會報空指針異常。

但是如果改成下面這段代碼，即重寫了initialValue方法：
public class Test {
 ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>(){
 protected Long initialValue() {
 return Thread.currentThread().getId();
 };
 };
 ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>(){;
 protected String initialValue() {
 return Thread.currentThread().getName();
 };
 };

public void set() {
 longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
 stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
 }
public long getLong() {
 return longLocal.get();
 }
public String getString() {
 return stringLocal.get();
 }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 final Test test = new Test();
test.set();
 System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
Thread thread1 = new Thread(){
 public void run() {
 test.set();
 System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
 };
 };
 thread1.start();
 thread1.join();
System.out.println(test.getLong());
 System.out.println(test.getString());
 }
}</pre> 
 
就可以直接不用先set而直接調用get了。

三.ThreadLocal的應用場景
最常見的ThreadLocal使用場景為 用來解決 數據庫連接、Session管理等。
如：
private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder
= new ThreadLocal<Connection>() {
public Connection initialValue() {
 return DriverManager.getConnection(DB_URL);
}
};

public static Connection getConnection() {
return connectionHolder.get();
}</pre> 
 
下面這段代碼摘自：

http://www.iteye.com/topic/103804
private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();

public static Session getSession() throws InfrastructureException {
 Session s = (Session) threadSession.get();
 try {
 if (s == null) {
 s = getSessionFactory().openSession();
 threadSession.set(s);
 }
 } catch (HibernateException ex) {
 throw new InfrastructureException(ex);
 }
 return s;
}</pre> 
 
參考資料：

《深入理解Java虛擬機》
 《  Java編程思想  》 
http://ifeve.com/thread-management-10/
http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-threads/index3.html
http://www.iteye.com/topic/103804
http://www.iteye.com/topic/777716
http://www.iteye.com/topic/757478
http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/15732053
http://ispring.iteye.com/blog/162982
http://blog.csdn.net/imzoer/article/details/8262101
http://www.blogjava.net/wumi9527/archive/2010/09/10/331654.html
http://bbs.csdn.net/topics/380049261
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