ThreadLocal的本质和应用分析

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-08-25 05:18 121阅读 0赞

引言：  在Java的多线程编程中，竞争资源的同步是一个需要格外关注的问题。处理使用volatile和同步锁机制实现资源访问的一致性之外，还可以使用ThreadLocal来保存线程的私有变量，从而避免了竞争资源的产生。

1.  ThreadLocal是什么?

ThreadLocal是服务于Thread的一种本地私有数据机制，threadlocalvariable(线程局部变量)， 即为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，与使用的线程绑定，每一个线程都可以独立地改变自己的副本，不会产生冲突。

其在Thread处于活跃状态，并且threadLocal对象可用的情况下，就可以在其中存放数据。在线程被销毁之后，则ThreadLocal中使用的资源和内存同时也被回收。

本质上，JVM通过ThreadLocal为多线程情况下，进行资源的访问提供了一种隔离机制，简化了编程的复杂度。

2.  ThreadLocal的用法

2.1 ThreadLocal的主要方法

*      ThreadLocal()   : 创建实例
 *      T get()  ：返回当前线程中的值，如果未设置，则返回初始值
 *      void remove()  : 移除当前线程的值，并释放资源  
    
 *      void set(T value) :设置当前线程线程副本中的
 *      protected void initialValue():  用以在子类中被重写其初始值

由此可以看出此线程局部变量只可以存放一个对象。

2.2  ThreadLocal使用示例

package org.test;
    
    public class ThreadLocalTest extends Thread {
        //必须的static final
        private final ThreadLocal<Student> mythreadLocal = new ThreadLocal<Student>();
        
        private int age;
        public ThreadLocalTest(String name) {
            super(name);
        }
            
        public ThreadLocalTest(String name, int age) {
            super(name);
            this.age = age;
        }
          
        public static void main(String[] args) {
            ThreadLocalTest student1 = new ThreadLocalTest("thread-first",23);
            ThreadLocalTest student2 = new ThreadLocalTest("thread-second",30);
            
            student1.start();
            student2.start();
        }
        
        public void run() {
            testInfo();
        }
        
        public void testInfo() {
            String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();        
            System.out.println(currentThreadName + " is running!");
            
            Student stud1 = this.getLocalVariable();        
            System.out.println("Student " + stud1.name + " is in age " + stud1.age + " in " + currentThreadName);
        }
        
        public Student getLocalVariable() {                  
            if (mythreadLocal.get() == null) {             
                Student student = new Student(Thread.currentThread().getName() + "-student", this.age);
                mythreadLocal.set(student);
            }
            return mythreadLocal.get();
        }
        
        public class Student {
            private String name;
            private int age;        
            public Student(){}
            
            public Student(String name, int age) {
                this.name = name;
                this.age = age;
            }
    
            public String getName() {
                return name;
            }
    
            public void setName(String name) {
                this.name = name;
            }
    
            public int getAge() {
                return age;
            }
    
            public void setAge(int age) {
                this.age = age;
            }      
        }
    }

从代码的运行结果来看，他们彼此之间没有什么相互的影响。

Thread-1 is running!
    Thread-0 is running!
    Student LiSi is in age 30 in Thread-1
    Student ZhangSan is in age 24 in Thread-0

注意：  这里的ThreadLocal按照JavaDoc文档的说明，应该声明为private static，因为它是在多个线程之间共享的一个数据结构，类似Map，以thread对象实例做为Key的。

3.   ThreadLocal和同步锁机制的对比分析

概括起来说，对于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，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。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。

同步机制利用所实现资源的同步访问，确保某一个时刻只有一个线程在访问资源；而ThreadLoca则规避了同步，让每一个线程有自己的一份副本。

他们之间不能彼此替代，只是从不同的角度去解决线程访问资源的问题。threadLocal无法替代锁实现的资源共享，而锁也做不到可以提供给独立的线程实例资源。

4.   基于JVM的内存模型来分析ThreadLocal

ThreadLocal本质上是一个类似Map的结构，以各个线程对象本身为Key，将其值存放进去。这个结构在所有的基于同一个线程类创建出来的线程中被共享所有，就是只有一个，单例的对象。  虽然，使用get()方法来读取其值，但是默认的是使用当前的thread对象做为Key来检索的。

具体的实现机制可以参照源码分析。

5.   ThreadLocal的源码分析

首先，来看看get()方法的源代码

public T get() {
            Thread t = Thread.currentThread(); //当前线程对象
            ThreadLocalMap map = getMap(t);  //基于对象检索值
            if (map != null) {
                ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
                if (e != null)
                    return (T)e.value;
            }
            return setInitialValue(); //如果为空，则设置初始值
        }

set()函数的源代码：

public void set(T value) {
            Thread t = Thread.currentThread(); //线程对象实例
            ThreadLocalMap map = getMap(t);
            if (map != null)
                map.set(this, value); //设值
            else
                createMap(t, value); // 创建，设置
        }

基于以上的代码，我们可以清楚的发现，其实就是基于对象实例的Map实现。

6.  总结

ThreadLocal存放的内容，不支持基本数据类型，只支持对象类型。用以存放线程私有的数据，以规避繁琐的同步机制下的资源共享。一般而言，少量数据是可以通过这种简便的方式而实现线程访问的。这些数据不涉及到线程之间的通信和共享问题。

参考文档

1.  http://lavasoft.blog.51cto.com/62575/51926/

2.  http://docs.oracle.com/javase/6/docs/api/java/lang/ThreadLocal.html