Java ThreadLocal 简介

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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Java ThreadLocal 简介相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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ThreadLocal在Spring中发挥着重要的作用,在管理request作用域的Bean、事务管理、任务调度、AOP等模块都出现了它们的身影,起着举足轻重的作用。要想了解Spring事务管理的底层技术,ThreadLocal是必须攻克的山头堡垒。

我们知道spring通过各种模板类降低了开发者使用各种数据持久技术的难度。这些模板类都是线程安全的,也就是说,多个DAO可以复用同一个模板实例而不会发生冲突。我们使用模板类访问底层数据,根据持久化技术的不同,模板类需要绑定数据连接或会话的资源。但这些资源本身是非线程安全的,也就是说它们不能在同一时刻被多个线程共享。虽然模板类通过资源池获取数据连接或会话,但资源池本身解决的是数据连接或会话的缓存问题,并非数据连接或会话的线程安全问题。

按照传统经验,如果某个对象是非线程安全的,在多线程环境下,对对象的访问必须采用synchronized进行线程同步。但模板类并未采用线程同步机制,因为线程同步会降低并发性,影响系统性能。此外,通过代码同步解决线程安全的挑战性很大,可能会增强好几倍的实现难度。那么模板类究竟仰仗何种魔法神功,可以在无须线程同步的情况下就化解线程安全的难题呢?答案就是ThreadLocal!

ThreadLocal在Spring中发挥着重要的作用,在管理request作用域的Bean、事务管理、任务调度、AOP等模块都出现了它们的身影,起着举足轻重的作用。要想了解Spring事务管理的底层技术,ThreadLocal是必须攻克的山头堡垒。

ThreadLocal是什么

早在JDK 1.2的版本中就提供Java.lang.ThreadLocal,ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。
ThreadLocal,顾名思义,它不是一个线程,而是线程的一个本地化对象。当工作于多线程中的对象使用ThreadLocal维护变量时,ThreadLocal为每个使用该变量的线程分配一个独立的变量副本。所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其他线程所对应的副本。从线程的角度看,这个变量就像是线程的本地变量,这也是类名中“Local”所要表达的意思。

线程局部变量并不是Java的新发明,很多语言(如IBM XL、FORTRAN)在语法层面就提供线程局部变量。在Java中没有提供语言级支持,而以一种变通的方法,通过ThreadLocal的类提供支持。所以,在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些,这也是为什么线程局部变量没有在Java开发者中得到很好普及的原因。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单,只有4个方法,我们先来了解一下。
void set(Object value)
设置当前线程的线程局部变量的值;
public Object get()
该方法返回当前线程所对应的线程局部变量;
public void remove()
将当前线程局部变量的值删除,目的是为了减少内存的占用,该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是,当线程结束后,对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收,所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作,但它可以加快内存回收的速度;
protected Object initialValue()
返回该线程局部变量的初始值,该方法是一个protected的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法,在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行,并且仅执行1次。ThreadLocal中的默认实现直接返回一个null。

值得一提的是,在JDK5.0中,ThreadLocal已经支持泛型,该类的类名已经变为ThreadLocal。API方法也相应进行了调整,新版本的API方法分别是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。

ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢?其实实现的思路很简单:在ThreadLocal类中有一个Map,用于存储每一个线程的变量副本,Map中元素的键为线程对象,而值对应线程的变量副本。我们自己就可以提供一个简单的实现版本:

代码清单9-3 SimpleThreadLocal

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public class
private Map valueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
public void set(Object newValue)
valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);
public Object get()
Thread currentThread = Thread.currentThread();
//②返回本线程对应的变量
Object o = valueMap.get(currentThread);
//③如果在Map中不存在,放到Map中保存起来
if (o == null && !valueMap.containsKey(currentThread))
o = initialValue();
valueMap.put(currentThread, o);
return o;
public void remove()
valueMap.remove(Thread.currentThread());
public Object initialValue()
return null;

虽然代码清单9 3中这个ThreadLocal实现版本显得比较幼稚,但它和JDK所提供的ThreadLocal类在实现思路上是非常相近的。

一个TheadLocal实例
下面,我们通过一个具体的实例了解一下ThreadLocal的具体使用方法。
代码清单9-4 SequenceNumber

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package com.baobaotao.basic;
public class SequenceNumber
//①通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法,指定初始值
private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>()
public Integer initialValue()
return 0;
;
//②获取下一个序列值
public int getNextNum()
seqNum.set(seqNum.get()+1);
return seqNum.get();
public static void main(String[ ] args)
SequenceNumber sn = new SequenceNumber();
//③ 3个线程共享sn,各自产生序列号
TestClient t1 = new TestClient(sn);
TestClient t2 = new TestClient(sn);
TestClient t3 = new TestClient(sn);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
private static class TestClient extends Thread
private SequenceNumber sn;
public TestClient(SequenceNumber sn)
this.sn = sn;
public void run()
//④每个线程打出3个序列值
for (int i = 0; i < 3; i++)
System.out.println("thread["+Thread.currentThread().getName()+
"] sn["+sn.getNextNum()+"]");

通常我们通过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类,提供初始的变量值,如①处所示。TestClient线程产生一组序列号,在③处,我们生成3个TestClient,它们共享同一个SequenceNumber实例。运行以上代码,在控制台上输出以下的结果:

thread[Thread-2] sn[1]
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-1] sn[1]
thread[Thread-2] sn[2]
thread[Thread-0] sn[2]
thread[Thread-1] sn[2]
thread[Thread-2] sn[3]
thread[Thread-0] sn[3]
thread[Thread-1] sn[3]

考查输出的结果信息,我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个Sequence Number实例,但它们并没有发生相互干扰的情况,而是各自产生独立的序列号,这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。

与Thread同步机制的比较

ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢?ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

在同步机制中,通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的,使用同步机制要求程序缜密地分析什么时候对变量进行读写,什么时候需要锁定某个对象,什么时候释放对象锁等繁杂的问题,程序设计和编写难度相对较大。

而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对访问数据的冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本,从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的对象封装,在编写多线程代码时,可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象,低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象,需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题,在一定程度上简化ThreadLocal的使用,代码清单9-2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal版本。

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:访问串行化,对象共享化。而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式:访问并行化,对象独享化。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。

Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题

我们知道在一般情况下,只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享,在Spring中,绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean(如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等)中非线程安全的“状态性对象”采用ThreadLocal进行封装,让它们也成为线程安全的“状态性对象”,因此有状态的Bean就能够以singleton的方式在多线程中正常工作了。

一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次,在不同的层中编写对应的逻辑,下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下,从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程,如图9-2所示。

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这样用户就可以根据需要,将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放,在同一次请求响应的调用线程中,所有对象所访问的同一ThreadLocal变量都是当前线程所绑定的。
下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路:

代码清单9-5 TopicDao:非线程安全

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public class TopicDao
//①一个非线程安全的变量
private Connection conn;
public void addTopic()
//②引用非线程安全变量
Statement stat = conn.createStatement();

由于①处的conn是成员变量,因为addTopic()方法是非线程安全的,必须在使用时创建一个新TopicDao实例(非singleton)。下面使用ThreadLocal对conn这个非线程安全的“状态”进行改造:

代码清单9-6 TopicDao:线程安全

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import java.sql.Connection;
import java.sql.Statement;
public class TopicDao
//①使用ThreadLocal保存Connection变量
private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();
public static Connection getConnection()
//②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection,
//并将其保存到线程本地变量中。
if (connThreadLocal.get() == null)
Connection conn = ConnectionManager.getConnection();
connThreadLocal.set(conn);
return conn;
else
//③直接返回线程本地变量
return connThreadLocal.get();
public void addTopic()
//④从ThreadLocal中获取线程对应的
Statement stat = getConnection().createStatement();

不同的线程在使用TopicDao时,先判断connThreadLocal.get()是否为null,如果为null,则说明当前线程还没有对应的Connection对象,这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中;如果不为null,则说明当前的线程已经拥有了Connection对象,直接使用就可以了。这样,就保证了不同的线程使用线程相关的Connection,而不会使用其他线程的Connection。因此,这个TopicDao就可以做到singleton共享了。

当然,这个例子本身很粗糙,将Connection的ThreadLocal直接放在Dao只能做到本Dao的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题,但无法和其他Dao共用同一个Connection,要做到同一事务多Dao共享同一个Connection,必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。但这个实例基本上说明了Spring对有状态类线程安全化的解决思路。在本章后面的内容中,我们将详细说明Spring如何通过ThreadLocal解决事务管理的问题。

原文:大专栏  Java ThreadLocal 简介


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