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认识ThreadLocal

发表于: 2014-06-11   作者:elvis4139   来源:转载   浏览次数:
摘要: 知其然 synchronized这类线程同步的机制可以解决多线程并发问题,在这种解决方案下,多个线程访问到的,都是同一份变量的内容。为了防止在多线程访问的过程中,可能会出现的并发错误。不得不对多个线程的访问进行同步,这样也就意味着,多个线程必须先后对变量的值进行访问或者修改,这是一种以延长访问时间来换取线程安全性的策略。 而ThreadLocal类为每一个线程都维护了自己独有的变量拷贝
知其然

synchronized这类线程同步的机制可以解决多线程并发问题,在这种解决方案下,多个线程访问到的,都是同一份变量的内容。为了防止在多线程访问的过程中,可能会出现的并发错误。不得不对多个线程的访问进行同步,这样也就意味着,多个线程必须先后对变量的值进行访问或者修改,这是一种以延长访问时间来换取线程安全性的策略。

而ThreadLocal类为每一个线程都维护了自己独有的变量拷贝。每个线程都拥有了自己独立的一个变量,竞争条件被彻底消除了,那就没有任何必要对这些线程进行同步,它们也能最大限度的由CPU调度,并发执行。并且由于每个线程在访问该变量时,读取和修改的,都是自己独有的那一份变量拷贝,变量被彻底封闭在每个访问的线程中,并发错误出现的可能也完全消除了。对比前一种方案,这是一种以空间来换取线程安全性的策略。

来看一个运用ThreadLocal来实现数据库连接Connection对象线程隔离的例子。
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;

public class ConnectionManager {

	private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
		@Override
		protected Connection initialValue() {
			Connection conn = null;
			try {
				conn = DriverManager.getConnection(
						"jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username",
						"password");
			} catch (SQLException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			return conn;
		}
	};

	public static Connection getConnection() {
		return connectionHolder.get();
	}

	public static void setConnection(Connection conn) {
		connectionHolder.set(conn);
	}
}


通过调用ConnectionManager.getConnection()方法,每个线程获取到的,都是和当前线程绑定的那个Connection对象,第一次获取时,是通过initialValue()方法的返回值来设置值的。通过ConnectionManager.setConnection(Connection conn)方法设置的Connection对象,也只会和当前线程绑定。这样就实现了Connection对象在多个线程中的完全隔离。在Spring容器中管理多线程环境下的Connection对象时,采用的思路和以上代码非常相似。

知其所以然

那么到底ThreadLocal类是如何实现这种“为每个线程提供不同的变量拷贝”的呢?先来看一下ThreadLocal的set()方法的源码是如何实现的:
&nbsp; &nbsp; /**
&nbsp; &nbsp; &nbsp;* Sets the current thread's copy of this thread-local variable
&nbsp; &nbsp; &nbsp;* to the specified value. &nbsp;Most subclasses will have no need to&nbsp;
&nbsp; &nbsp; &nbsp;* override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
&nbsp; &nbsp; &nbsp;* method to set the values of thread-locals.
&nbsp; &nbsp; &nbsp;*
&nbsp; &nbsp; &nbsp;* @param value the value to be stored in the current thread's copy of
&nbsp; &nbsp; &nbsp;* &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;this thread-local.
&nbsp; &nbsp; &nbsp;*/
&nbsp; &nbsp; public void set(T value) {
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; Thread t = Thread.currentThread();
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; ThreadLocalMap map = getMap(t);
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; if (map != null)
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; map.set(this, value);
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; else
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; createMap(t, value);
&nbsp; &nbsp; }


没有什么魔法,在这个方法内部我们看到,首先通过getMap(Thread t)方法获取一个和当前线程相关的ThreadLocalMap,然后将变量的值设置到这个ThreadLocalMap对象中,当然如果获取到的ThreadLocalMap对象为空,就通过createMap方法创建。

线程隔离的秘密,就在于ThreadLocalMap这个类。ThreadLocalMap是ThreadLocal类的一个静态内部类,它实现了键值对的设置和获取(对比Map对象来理解),每个线程中都有一个独立的ThreadLocalMap副本,它所存储的值,只能被当前线程读取和修改。ThreadLocal类通过操作每一个线程特有的ThreadLocalMap副本,从而实现了变量访问在不同线程中的隔离。因为每个线程的变量都是自己特有的,完全不会有并发错误。还有一点就是,ThreadLocalMap存储的键值对中的键是this对象指向的ThreadLocal对象,而值就是你所设置的对象了。

为了加深理解,我们接着看上面代码中出现的getMap和createMap方法的实现:
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

代码已经说的非常直白,就是获取和设置Thread内的一个叫threadLocals的变量,而这个变量的类型就是ThreadLocalMap,这样进一步验证了上文中的观点:每个线程都有自己独立的ThreadLocalMap对象。打开java.lang.Thread类的源代码,我们能得到更直观的证明:
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

那么接下来再看一下ThreadLocal类中的get()方法,代码是这么说的:
/**
     * Returns the value in the current thread's copy of this
     * thread-local variable.  If the variable has no value for the
     * current thread, it is first initialized to the value returned
     * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
     *
     * @return the current thread's value of this thread-local
     */
    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null)
                return (T)e.value;
        }
        return setInitialValue();
    }

    /**
     * Variant of set() to establish initialValue. Used instead
     * of set() in case user has overridden the set() method.
     *
     * @return the initial value
     */
    private T setInitialValue() {
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }

这两个方法的代码告诉我们,在获取和当前线程绑定的值时,ThreadLocalMap对象是以this指向的ThreadLocal对象为键进行查找的,这当然和前面set()方法的代码是相呼应的。

进一步地,我们可以创建不同的ThreadLocal实例来实现多个变量在不同线程间的访问隔离,为什么可以这么做?因为不同的ThreadLocal对象作为不同键,当然也可以在线程的ThreadLocalMap对象中设置不同的值了。通过ThreadLocal对象,在多线程中共享一个值和多个值的区别,就像你在一个HashMap对象中存储一个键值对和多个键值对一样,仅此而已。

设置到这些线程中的隔离变量,会不会导致内存泄漏呢?ThreadLocalMap对象保存在Thread对象中,当某个线程终止后,存储在其中的线程隔离的变量,也将作为Thread实例的垃圾被回收掉,所以完全不用担心内存泄漏的问题。在多个线程中隔离的变量,光荣的生,合理的死,真是圆满,不是么?

最后再提一句,ThreadLocal变量的这种隔离策略,也不是任何情况下都能使用的。如果多个线程并发访问的对象实例只允许,也只能创建那么一个,那就没有别的办法了,老老实实的使用同步机制来访问吧。

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