ThreadLocal 应用及其原理详解

Posted 2022-08-23 流楚丶格念

文章目录

• ThreadLocal
• • 概念
  • 应用场景
  • • JDBC 连接多Connection
    • 管理会话存储
    • 多线程访问共享变量（在重入方法中替代参数的显式传递）
  • 实现原理
  • 哈希冲突问题
  • 代码案例
  • • 线程私有变量与普通变量
    • springboot 使用ThreadLocal

ThreadLocal

概念

ThreadLocal顾名思义是线程私有的局部变量存储容器，可以理解成每个线程都有自己专属的存储容器，它用来存储线程私有变量，其实它只是一个外壳，内部真正存取是一个Map。

每个线程可以通过set() 和 get() 存取变量，多线程间无法访问各自的局部变量，相当于在每个线程间建立了一个隔板。只要线程处于活动状态，它所对应的ThreadLocal实例就是可访问的，线程被终止后，它的所有实例将被垃圾收集。

总之我们要记住总的思想：ThreadLocal存储的变量属于当前线程。

应用场景

JDBC 连接多Connection

ThreadLocal经典的使用场景是为每个线程分配一个 JDBC 连接 Connection，这样就可以保证每个线程的都在各自的 Connection 上进行数据库的操作，不会出现 A 线程关了 B线程正在使用的Connection。

管理会话存储

另外ThreadLocal还经常用于管理Session会话，将Session保存在ThreadLocal中，使线程处理多次处理会话时始终是同一个Session。

多线程访问共享变量（在重入方法中替代参数的显式传递）

​ 假如在我们的业务方法中需要调用其他方法，同时其他方法都需要用到同一个对象时，可以使用ThreadLocal替代参数的传递或者使用static静态全局变量。

这是因为使用参数传递造成代码的耦合度高，使用静态全局变量在多线程环境下不安全。当该对象用ThreadLocal包装过后，就可以保证在该线程中独此一份，同时和其他线程隔离。

下面是详细说明：

这里​ ThreadLocal 存储的是本地共享变量，用于解决多线程并发时访问共享变量的问题。

​ 所谓的共享变量指的是在堆中的实例、静态属性和数组；对于共享数据的访问受Java的内存模型（JMM）的控制，其模型如下：

每个线程都会有属于自己的本地内存，在堆（也就是上图的主内存）中的变量在被线程使用的时候会被复制一个副本线程的本地内存中，当线程修改了共享变量之后就会通过JMM管理控制写会到主内存中。

​ 很明显，在多线程的场景下，当有多个线程对共享变量进行修改的时候，就会出现线程安全问题，即数据不一致问题。

常用的解决方法是对访问共享变量的代码加（synchronized或者Lock）。但是这种方式对性能的耗费比较大。在JDK1.2中引入了ThreadLocal类，来修饰共享变量，使每个线程都单独拥有一份共享变量，这样就可以做到线程之间对于共享变量的隔离问题。

所以说锁和ThreadLocal使用场景还是有区别的，具体区别如下：

	synchronized（锁）	ThreadLocal
原理	同步机制采用了时间换空间的方式，只提供一份变量，让不同线程排队访问（临界区排队）	采用空间换时间的方式，为每一个线程都提供一份变量的副本，从而实现同时访问而互不相干扰
侧重点	多个线程之间访问资源的同步	多线程中让每个线程之间的数据相互隔离

实现原理

Thread类中有个变量threadLocals，它的类型为ThreadLocal中的一个内部类ThreadLocalMap，这个类没有实现map接口，就是一个普通的Java类，但是实现的类似map的功能。

每个线程都有自己的一个map，map是一个数组的数据结构存储数据，每个元素是一个Entry，entry的key是ThreadLocal的引用，也就是当前变量的副本，value就是set的值。

threadLocals.ThreadLocalMap 的代码如下所示：

public class Thread implements Runnable 
	/* 与此线程有关的 ThreadLocal 值。此映射由 ThreadLocal 类维护*/
	ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，每个数据用Entry保存，其中的Entry继承与WeakReference，用一个键值对存储，键为ThreadLocal的引用。为什么是WeakReference呢？如果是强引用，即使把ThreadLocal设置为null，GC也不会回收，因为ThreadLocalMap对它有强引用。

ThreadLocalMap 代码如下所示：

/*
此哈希映射中的条目扩展了 WeakReference，
使用其主 ref 字段作为键（始终是 ThreadLocal 对象）。

请注意，空键（即 entry.get() == null）意味着不再引用该键，
因此可以从表中删除该条目。在下面的代码中，此类条目称为“陈旧条目”。
*/
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> 
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) 
        super(k);
        value = v;
    

ThreadLocal中的set方法的实现逻辑，先获取当前线程，取出当前线程的ThreadLocalMap，如果不存在就会创建一个ThreadLocalMap，如果存在就会把当前的threadlocal的引用作为键，传入的参数作为值存入map中。

代码如下所示：

/*
将此线程局部变量的当前线程副本设置为指定值。
大多数子类不需要重写此方法，仅依靠 #initialValue方法来设置线程局部变量的值。

@param value 要存储在此线程本地的当前线程副本中的值。
*/
public void set(T value) 
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);

ThreadLocal中get方法的实现逻辑，获取当前线程，取出当前线程的ThreadLocalMap，用当前的threadlocal作为key在ThreadLocalMap查找，如果存在不为空的Entry，就返回Entry中的value，否则就会执行初始化并返回默认的值。代码如下所示：

/*
返回此线程局部变量的当前线程副本中的值。
如果变量没有当前线程的值，则首先将其初始化为调用 #initialValue方法返回的值。

@return 此线程本地的当前线程的值
*/
public T get() 
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) 
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) 
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        
    
    return setInitialValue();

ThreadLocal中remove方法的实现逻辑，还是先获取当前线程的ThreadLocalMap变量，如果存在就调用ThreadLocalMap的remove方法。ThreadLocalMap的存储就是数组的实现，因此需要确定元素的位置，找到Entry，把entry的键值对都设为null，最后也Entry也设置为null。其实这其中会有哈希冲突，具体见下文：ThreadLocal解决哈希冲突。

代码如下所示：

public void remove() 
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);

ThreadLocal中的hash code非常简单，就是调用AtomicInteger的getAndAdd方法，参数是个固定值0x61c88647 。

上面说过ThreadLocalMap的结构非常简单只用一个数组存储，并没有链表结构，当出现Hash冲突时采用线性查找的方式，所谓线性查找，就是根据初始key的hashcode值确定元素在table数组中的位置，如果发现这个位置上已经有其他key值的元素被占用，则利用固定的算法寻找一定步长的下个位置，依次判断，直至找到能够存放的位置。

如果产生多次hash冲突，处理起来就没有HashMap的效率高，为了避免哈希冲突，使用尽量少的threadlocal变量。

下面是对ThreadLocal使用的开放寻址法的讲解，感兴趣的可以了解一下：

哈希冲突问题

ThreadLocal解决哈希冲突采用开放寻址法的思想

开放寻址法：直接从冲突的数组位置往下寻找一个空的数组下标进行数据存储

开放定址法也称线性探测法，就是从发生冲突的那个位置开始，按照一定次序从Hash表找到一个空闲位置然后把发生冲突的元素存入到这个位置，而在java中，ThreadLocal就用到了线性探测法来解决Hash冲突

如图，在Hash表索引1的位置存了key=name，再向它添加key=hobby的时候，假设计算得到的索引也是1，那么这个时候发生哈希冲突，而开放开放定址法就是按照顺序向后找到一个空闲的位置，来存储这个冲突的key

代码案例

线程私有变量与普通变量

代码如下：

package com.yyl.threadTest;

public class ThreadLocalTest 
    //定义普通的变量
    private static int num1 = 0;
    //定义线程局部变量
    private static ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<Integer>() 
        //重写initialValue方法，如果不重写初始值为null
        protected Integer initialValue() 
            //返回初始值
            return 0;
        
    ;

    public static void main(String[] args) 
        //创建十个线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) 
            new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    num1++;//分别修改普通变量
                    System.out.println("普通变量=" + num1);
                    //修改线程局部变量的值
                    System.out.println("线程局部变量=" + local.get());
                    local.set(local.get() + 1);
                    System.out.println("线程局部变量加1后=" + local.get());

                
            ).start();
        
    

我们可以看到每个线程初始的私有ThreadLocal变量都是初始值0，每个线程互不影响

springboot 使用ThreadLocal

可以参考脚本之家：https://www.jb51.net/article/231213.htm