Spring如何處理線程并發

我們知道Spring通過各種DAO模板類降低了開發者使用各種數據持久技術的難度。這些模板類都是線程安全的，也就是說，多個DAO可以復用同一個模板實例而不會發生沖突。
我們使用模板類訪問底層數據，根據持久化技術的不同，模板類需要綁定數據連接或會話的資源。但這些資源本身是非線程安全的，也就是說它們不能在同一時刻被多個線程共享。
雖然模板類通過資源池獲取數據連接或會話，但資源池本身解決的是數據連接或會話的緩存問題，并非數據連接或會話的線程安全問題。
按照傳統經驗，如果某個對象是非線程安全的，在多線程環境下，對對象的訪問必須采用synchronized進行線程同步。但Spring的DAO模板類并未采用線程同步機制，因為線程同步限制了并發訪問，會帶來很大的性能損失。
此外，通過代碼同步解決性能安全問題挑戰性很大，可能會增強好幾倍的實現難度。那模板類究竟仰丈何種魔法神功，可以在無需同步的情況下就化解線程安全的難題呢？答案就是ThreadLocal！
ThreadLocal在Spring中發揮著重要的作用，在管理request作用域的Bean、事務管理、任務調度、AOP等模塊都出現了它們的身影，起著舉足輕重的作用。要想了解Spring事務管理的底層技術，ThreadLocal是必須攻克的山頭堡壘。
ThreadLocal是什么
早在JDK1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal為解決多線程程序的并發問題提供了一種新的思路。使用這個工具類可以很簡潔地編寫出優美的多線程程序。
ThreadLocal很容易讓人望文生義，想當然地認為是一個“本地線程”。其實，ThreadLocal并不是一個Thread，而是Thread的局部變量，也許把它命名為ThreadLocalVariable更容易讓人理解一些。
當使用ThreadLocal維護變量時，ThreadLocal為每個使用該變量的線程提供獨立的變量副本，所以每一個線程都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其它線程所對應的副本。
從線程的角度看，目標變量就象是線程的本地變量，這也是類名中“Local”所要表達的意思。
線程局部變量并不是Java的新發明，很多語言（如IBM IBM XLFORTRAN）在語法層面就提供線程局部變量。在Java中沒有提供在語言級支持，而是變相地通過ThreadLocal的類提供支持。
所以，在Java中編寫線程局部變量的代碼相對來說要笨拙一些，因此造成線程局部變量沒有在Java開發者中得到很好的普及。
ThreadLocal的接口方法
ThreadLocal類接口很簡單，只有4個方法，我們先來了解一下：
void set(Object value)
設置當前線程的線程局部變量的值。
public Object get()
該方法返回當前線程所對應的線程局部變量。
public void remove()
將當前線程局部變量的值刪除，目的是為了減少內存的占用，該方法是JDK5.0新增的方法。需要指出的是，當線程結束后，對應該線程的局部變量將自動被垃圾回收，所以顯式調用該方法清除線程的局部變量并不是必須的操作，但它可以加快內存回收的速度。
protected Object initialValue()
返回該線程局部變量的初始值，該方法是一個protected的方法，顯然是為了讓子類覆蓋而設計的。這個方法是一個延遲調用方法，在線程第1次調用get()或set(Object)時才執行，并且僅執行1次。ThreadLocal中的缺省實現直接返回一個null。


值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已經支持泛型，該類的類名已經變為ThreadLocal<T>。API方法也相應進行了調整，新版本的API方法分別是voidset(T value)、T get()以及T initialValue()。
ThreadLocal是如何做到為每一個線程維護變量的副本的呢？其實實現的思路很簡單：在ThreadLocal類中有一個Map，用于存儲每一個線程的變量副本，Map中元素的鍵為線程對象，而值對應線程的變量副本。我們自己就可以提供一個簡單的實現版本：

// 代碼清單1 SimpleThreadLocal
class SimpleThreadLocal {
    private MapvalueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
    public voidset(Object newValue) {
       valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);//①鍵為線程對象，值為本線程的變量副本
    }
    publicObject get() {
       Thread currentThread = Thread.currentThread();
       Object o = valueMap.get(currentThread);// ②返回本線程對應的變量
       if (o == null &&!valueMap.containsKey(currentThread)) {// ③如果在Map中不存在，放到Map
           // 中保存起來。
           o = initialValue();
           valueMap.put(currentThread, o);
       }
       return o;
    }
    public voidremove() {
       valueMap.remove(Thread.currentThread());
    }
    publicObject initialValue() {
       return null;
    }
}

雖然代碼清單9?3這個ThreadLocal實現版本顯得比較幼稚，但它和JDK所提供的ThreadLocal類在實現思路上是相近的。
一個TheadLocal實例
下面，我們通過一個具體的實例了解一下ThreadLocal的具體使用方法

package threadLocalDemo;
public class SequenceNumber {
    //①通過匿名內部類覆蓋ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
    privatestatic ThreadLocal<Integer> seqNum =new ThreadLocal<Integer>() {
       public Integer initialValue() {
           return 0;
       }
    };
    //②獲取下一個序列值
    public intgetNextNum() {
       seqNum.set(seqNum.get() + 1);
       return seqNum.get();
    }
    publicstatic void main(String[] args)
    {
       SequenceNumber sn = new SequenceNumber();
       // ③ 3個線程共享sn，各自產生序列號
       TestClient t1 = new TestClient(sn);
       TestClient t2 = new TestClient(sn);
       TestClient t3 = new TestClient(sn);
       t1.start();
       t2.start();
       t3.start();
    }
    privatestatic class TestClient extends Thread
    {
       private SequenceNumber sn;
       public TestClient(SequenceNumber sn) {
           this.sn = sn;
       }
       public void run()
       {
           for (int i = 0; i < 3; i++) {
               // ④每個線程打出3個序列值
               System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName()+"]sn[" + sn.getNextNum() + "]");
           }
       }
    }
}

通常我們通過匿名內部類的方式定義ThreadLocal的子類，提供初始的變量值，如例子中①處所示。TestClient線程產生一組序列號，在③處，我們生成3個TestClient，它們共享同一個SequenceNumber實例。運行以上代碼，在控制臺上輸出以下的結果：
thread[Thread-2] sn[1]
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-1] sn[1]
thread[Thread-2] sn[2]
thread[Thread-0] sn[2]
thread[Thread-1] sn[2]
thread[Thread-2] sn[3]
thread[Thread-0] sn[3]
thread[Thread-1] sn[3]
考察輸出的結果信息，我們發現每個線程所產生的序號雖然都共享同一個SequenceNumber實例，但它們并沒有發生相互干擾的情況，而是各自產生獨立的序列號，這是因為我們通過ThreadLocal為每一個線程提供了單獨的副本。
Thread同步機制的比較
ThreadLocal和線程同步機制相比有什么優勢呢？ThreadLocal和線程同步機制都是為了解決多線程中相同變量的訪問沖突問題。
在同步機制中，通過對象的鎖機制保證同一時間只有一個線程訪問變量。這時該變量是多個線程共享的，使用同步機制要求程序慎密地分析什么時候對變量進行讀寫，什么時候需要鎖定某個對象，什么時候釋放對象鎖等繁雜的問題，程序設計和編寫難度相對較大。
而ThreadLocal則從另一個角度來解決多線程的并發訪問。ThreadLocal會為每一個線程提供一個獨立的變量副本，從而隔離了多個線程對數據的訪問沖突。因為每一個線程都擁有自己的變量副本，從而也就沒有必要對該變量進行同步了。ThreadLocal提供了線程安全的共享對象，在編寫多線程代碼時，可以把不安全的變量封裝進ThreadLocal。
由于ThreadLocal中可以持有任何類型的對象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object對象，需要強制類型轉換。但JDK5.0通過泛型很好的解決了這個問題，在一定程度地簡化ThreadLocal的使用，代碼清單 9 2就使用了JDK5.0新的ThreadLocal<T>版本。
概括起來說，對于多線程資源共享的問題，同步機制采用了“以時間換空間”的方式，而ThreadLocal采用了“以空間換時間”的方式。前者僅提供一份變量，讓不同的線程排隊訪問，而后者為每一個線程都提供了一份變量，因此可以同時訪問而互不影響。
Spring使用ThreadLocal解決線程安全問題
我們知道在一般情況下，只有無狀態的Bean才可以在多線程環境下共享，在Spring中，絕大部分Bean都可以聲明為singleton作用域。就是因為Spring對一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非線程安全狀態采用ThreadLocal進行處理，讓它們也成為線程安全的狀態，因為有狀態的Bean就可以在多線程中共享了。
一般的Web應用劃分為展現層、服務層和持久層三個層次，在不同的層中編寫對應的邏輯，下層通過接口向上層開放功能調用。在一般情況下，從接收請求到返回響應所經過的所有程序調用都同屬于一個線程，如圖9?2所示：

圖1同一線程貫通三層
這樣你就可以根據需要，將一些非線程安全的變量以ThreadLocal存放，在同一次請求響應的調用線程中，所有關聯的對象引用到的都是同一個變量。
下面的實例能夠體現Spring對有狀態Bean的改造思路：
代碼清單3 TopicDao：非線程安全

public class TopicDao {
private Connection conn;①一個非線程安全的變量
public void addTopic(){
Statement stat = conn.createStatement();②引用非線程安全變量
…
}
}

由于①處的conn是成員變量，因為addTopic()方法是非線程安全的，必須在使用時創建一個新TopicDao實例（非singleton）。下面使用ThreadLocal對conn這個非線程安全的“狀態”進行改造：
代碼清單4 TopicDao：線程安全

package threadLocalDemo;
import java.sql.Connection;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Statement;
public class SqlConnection {
    //①使用ThreadLocal保存Connection變量
    privatestatic ThreadLocal<Connection>connThreadLocal = newThreadLocal<Connection>();
    publicstatic Connection getConnection() {
       // ②如果connThreadLocal沒有本線程對應的Connection創建一個新的Connection，
       // 并將其保存到線程本地變量中。
       if (connThreadLocal.get() == null) {
           Connection conn = getConnection();
           connThreadLocal.set(conn);
           return conn;
       } else {
           return connThreadLocal.get();
           // ③直接返回線程本地變量
       }
    }
    public voidaddTopic() {
       // ④從ThreadLocal中獲取線程對應的Connection
       try {
           Statement stat = getConnection().createStatement();
       } catch (SQLException e) {
           e.printStackTrace();
       }
    }
}