对ThreadLocal的深入理解

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了对ThreadLocal的深入理解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

ThreadLocal

1.ThreadLocal初识

讲ThreadLocal之前，我们先回顾一下线程不安全的解决方案：
1.给对象加锁（synchronized加锁或Lock加锁）
2.让线程拥有私有变量，不让多个线程修改一个变量

对于1方式而言，加锁使得线程排队执行，具有性能消耗；对于2方式而言，设置私有变量的方法有一个缺陷，当任务数量比较多时，每一次任务执行都会创建私有变量，这会导致大量内存被占用，浪费空间。

因而Java中有一种比较高效的解决线程安全的方案：ThreadLocal

ThreadLocal是线程级别的私有变量，与任务级别的私有变量是完全不同的！

举例：

创建一个线程池，核心线程数与最大线程数都是10，任务数为1000

Public void fun(){
	Object obj = new Object();
	//...
}

对于任务级别的私有变量而言，执行1000次任务同时也会创建1000次变量；如果是ThreadLocal线程级别私有变量，每个线程拥有一个变量，执行1000次任务过程中，因为10个线程实现了复用，所以只创建了10次变量。

2.ThreadLocal方法

1）基本方法

1.set：将变量设置到线程中
2.get：从线程中取得私有变量
3.remove：从线程中移除私有变量（不移除会导致脏读、幻读）
4.initialValue：初始化
5.withInitial：初始化
ThreadLocal使用：

public class ThreadPool13 {
    // 创建 ThreadLocal
    static ThreadLocal<String> threadLocal =
            new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // set threadLocal
                    String tname = Thread.currentThread().getName();
                    threadLocal.set(tname);
                    System.out.println(String.format("线程%s 设置了值：%s",
                            tname, tname));
                    printTName();
                } finally {
                    threadLocal.remove();
                }
            }
        }, "1");
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    String tname = Thread.currentThread().getName();
                    // set ThreadLocal
                    threadLocal.set(tname);
                    System.out.println(String.format("线程%s 设置了值：%s",
                            tname, tname));
                    printTName();
                } finally {
                    threadLocal.remove();
                }
            }
        }, "2");
        t2.start();
    }

    private static void printTName() {
        String tname = Thread.currentThread().getName();
        // 得到存放在 threadLoca 中的值
        String result = threadLocal.get();
        System.out.println(String.format("线程%s 取得：%s",
                tname, result));
    }
}

在这里插入图片描述

2）initialValue()的使用

public class ThreadPool14 {
    static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal(){
        @Override
        protected Object initialValue() {
            System.out.println("执行了初始化方法");
            return "trq";
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        String result = threadLocal.get();
        System.out.println("读取到的内容是："+result);
    }
}

注意事项：initialValue返回的数据类型需要和ThreadLocal定义的泛型类型相同。

public class ThreadPool14 {
    static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal(){
        @Override
        protected Object initialValue() {
            System.out.println("执行了初始化方法");
            return "trq";
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1,1,0, TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingDeque<>(1000));
        for(int i = 0; i < 2; i++){
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    String result = threadLocal.get();
                    System.out.println("读取到的内容是："+result);
                }
            });
        }
    }
}

在这里插入图片描述

我们发现initialValue与get可以一起操作，实现正常存取
那么当initialVale与set、get一起操作行不行呢？
答案：不可以。当三个方法都存在时，只会执行set与get，当set后initialValue方法不会被执行。
为什么不会执行呢？
ThreadLocal和线程池一样具有懒加载机制，在创建的时候不能立刻去执行，只是标识其他任务可以调用自己；在创建ThreadLocal并编写初始化方法时没有去执行实例化，其他地方调用ThreadLocal方法后才会去加载。从源码中可以看出，当执行了get方法后，才会去尝试执行initialValue方法；尝试获取ThreadLocal的set方法值，如果获取到了，那么初始化方法永远不被执行。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3）withInitial()使用

public class ThreadPool15 {

    //因为withInitial是静态方法，所以无需new操作
    static ThreadLocal<String> threadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(new Supplier<String>() {
                @Override
                public String get() {
                    System.out.println("执行了初始化方法！");
                    return "Java";    //初始化时候返回的值
                }
            });

    public static void main(String[] args) {
        try{
            String result = threadLocal.get();
            System.out.println(result);
        }finally{
            threadLocal.remove();
        }

        String str = threadLocal.get();
        System.out.println(str);
    }
}
！！！remove在任何场景下都可以使用

程序执行结果如下：
在这里插入图片描述
可以看出withInitial完成了ThreadLocal初始化；此外当我们执行remove后，再一次执行get发现依然执行了初始化的结果，原因就是与源码设计存在关系，get方法中，当map为null时，会去执行SetInitial方法。

3.ThreadLocal使用场景

1）解决线程安全问题

需求：实现1000个任务的格式化

当没有ThreadLocal时使用线程池完成任务，会导致线程不安全发生：在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
当使用ThreadLocal时，解决了线程安全：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
分析：可以看出，程序运行结果就是我们的预期结果；初始化方法执行了10次，而不是设置任务的1000次，因此可以说，ThreadLocal变量被线程复用，它是线程级别的私有变量而不是任务级别的。

2）实现线程级别的数据传递

/**
 * 使用场景2：实现线程级别的数据传递
 */

public class ThreadPool17 {

    static class ThreadLocalUnit{
        static ThreadLocal<User> threadLocal = new ThreadLocal<>(); //！！只写成静态属性的话只能在当前类中访问
    }

    static class User{
        private String username;

        public String getUsername(){
            return username;
        }

        public void setUsername(String username){
           this.username = username;
        }
    }

    /*
    日志信息
     */
    static class Logger{
        public void addLog(){
            User user = ThreadLocalUnit.threadLocal.get();
            System.out.println("添加日志："+user.getUsername());


        }
    }

    /*
    订单系统
     */
    static class Order{
        public void getOrder(){
            User user = ThreadLocalUnit.threadLocal.get();
            System.out.println("订单列表："+user.getUsername());
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        //模拟用户的登录操作
        User user = new User();
        user.setUsername("TRQ");
        ThreadLocalUnit.threadLocal.set(user);

        //调用订单系统
        Order order = new Order();
        order.getOrder();

        //调用日志系统
        Logger logger = new Logger();
        logger.addLog();

    }
}

在这里插入图片描述

4.ThreadLocal缺点

1）父子线程间的不可继承性

在这里插入图片描述在这里插入图片描述
从执行结果可以看出，子线程没有获取到主线程中设置的ThreadLocal变量，这就是不可继承性的体现。

怎么解决不可继承性？

解决方法：将要实例化的ThreadLocal类改为它的子类InheritableThreadLocal，这样就解决不可继承性问题。

static ThreadLocal<String> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();

上述代码修改后执行结果：
在这里插入图片描述

2）不能数据共享

InheritableThreadLocal不能实现不同子线程之间的数据共享

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
从结果可以看出，线程2没有获取到线程1设置的ThreadLocal变量。

3）脏读问题

一个线程读到了不属于自己的数据，这就出现了脏读现象。

public class ThreadPool20 {
    static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor =
                new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0,
                        TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            MyTask t = new MyTask();
            executor.execute(t);
        }
    }

    static class MyTask extends Thread {
        // 标志位，标识是否第一次访问
        static boolean first = true;

        @Override
        public void run() {
            if (first) {
                // 第一次访问，存储用户信息
                threadLocal.set(this.getName() +
                        " session info.");
                first = false;
            }
            // get threadLocal
            String result = threadLocal.get();
            System.out.println(this.getName() + "：" + result);
        }
    }
}

在这里插入图片描述
线程1读到了线程0的信息，导致脏读发生。

>>脏读原因

原因：
线程池中使用ThreadLocal出现脏读是因为线程池会复用线程，复用线程时就会复用线程的静态属性，从而导致某些方法不能执行；对于线程而言，使用ThreadLocal不会出现脏读，因为每个线程使用的是自己的私有变量和ThreadLocal。

>>解决脏读办法

1.避免使用静态属性（线程池中静态属性会复用）
2.使用ThreadLocal的remove方法（坚持使用静态属性的情况下解决方法）

4）内存溢出问题（较常出现）

内存溢出：当一个线程执行完了之后，不释放所占用的内存，或者释放内存不及时的情况，称之为"内存溢出"。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
可以看出，使用ThreadLocal发生了内存溢出！（具体原因看后续）

**内存溢出原因：
表层：线程池是长生命周期，而线程是执行完任务就结束了（线程相关资源会释放掉）；

5.ThreadLocalMap

1）分析内存溢出（OOM）

2）ThreadLocalMap处理冲突方式

①面试题：HashMap处理冲突的方式与ThreadLocalMap处理冲突的方式有什么区别？

HashMap使用数组加链表的方式解决哈希冲突；ThreadLocalMap使用开放寻址法解决ThreadLocalMap冲突。

为什么二者解决冲突方式要这么设计？

当数据量比较少的情况下，开放寻址法的性能更好，对于ThreadLocal来说，它是存储在线程中的，一般而言线程不会很多，所以使用开放寻址法解决ThreadLocal冲突更好；而HashMap里面一般存储的数据比较多，如果采用开放寻址法效率低下，因此使用链表法是最好的选择。

在这里插入图片描述

强引用：最为常见，如Object() object = new Object()，这样的变量声明和定义就会产生该对象的强引用。只要对象有强引用指向，Java内存回收时，即使内存耗尽，也不会回收该对象

软引用：引用力度小于强引用，用在非必须对象的场景，在即将内存溢出之前，垃圾回收器会把软引用指向的对象加入回收范围，以获得更多的内存空间。

弱引用：引用力度比之前两个都小，也是用来描述非必需对象的，如果弱引用指向的对象只存在弱引用，则对象会在下一次GC时被回收。由于GC时间不确定，弱引用指向对象何时被回收也不不确定。

虚引用：极弱的引用变量，当定义完成后，就无法通过引用获取指定向的对象。（可以说是创建即死亡）

对于Entry数组中的对象而言，其key设置为弱引用，value设置为强引用；

①面试题：那么为什么要把Threadlocal中的key设置为弱引用？
为了最大程度避免OOM（内存溢出）

为什么会发生OOM现象呢？

ThreadLocal是长生命周期，线程池中创建了线程就不销毁，线程拥有ThreadLocal，而ThreadLocal中含有静态内部类ThreadLocalMap，ThreadLocalMap里面含有Entry类型数组，数组中的对象为key-value形式，value为强引用，不管是否发生OOM，强引用都不会被回收掉，因此会出现内存溢出问题。

解决ThreadLocal内存溢出：使用remove方法

以上是关于对ThreadLocal的深入理解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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