Java併發編程：深入剖析ThreadLocal

　　想必很多朋友對ThreadLocal並不陌生，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，然後根據ThreadLocal類的源碼分析了其實現原理和使用需要注意的地方，最後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

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爲變量在每個線程中都創建了一個副本，那麼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，但是真正理解並不是那麼容易。

　　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();
    }
}

　　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，這裏面的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，由於connect是共享變量，那麼必然在調用connect的地方需要使用到同步來保障線程安全，因爲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。

　　所以出於線程安全的考慮，必須將這段代碼的兩個方法進行同步處理，並且在調用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，因爲一個線程在使用connect進行數據庫操作的時候，其他線程只有等待。

　　那麼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係的，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。

　　到這裏，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，然後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();
    }
}

　　這樣處理確實也沒有任何問題，由於每次都是在方法內部創建的連接，那麼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，並且嚴重影響程序執行性能。由於在方法中需要頻繁地開啓和關閉數據庫連接，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。

　　那麼這種情況下使用ThreadLocal是再適合不過的了，因爲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，但是由於在每個線程中都創建了副本，所以要考慮它對資源的消耗，比如內存的佔用會比不使用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類是如何爲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，然後通過getMap(t)方法獲取到一個map，map的類型爲ThreadLocalMap。然後接着下面獲取到<key,value>鍵值對，注意這裏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爲空，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方法中做了什麼：

　　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。

　　那麼我們繼續取Thread類中取看一下成員變量threadLocals是什麼：

　　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，並且使用ThreadLocal作爲鍵值。

　　然後再繼續看setInitialValue方法的具體實現：
　　

　　很容易瞭解，就是如果map不爲空，就設置鍵值對，爲空，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是如何爲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，鍵值爲當前ThreadLocal變量，value爲變量副本（即T類型的變量）。

　　初始時，在Thread裏面，threadLocals爲空，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，並且以當前ThreadLocal變量爲鍵值，以ThreadLocal要保存的副本變量爲value，存到threadLocals。

　　然後在當前線程裏面，如果要使用副本變量，就可以通過get方法在threadLocals裏面查找。

　　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());
    }
}

　　這段代碼的輸出結果爲：
　　

　　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。最後一次在main線程再次打印副本值是爲了證明在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）爲何threadLocals的類型ThreadLocalMap的鍵值爲ThreadLocal對象，因爲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。

　　因爲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());
    }
}

　　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());
    }
}

　　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使用場景爲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();
}

　　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;
}

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