浅析 Java ThreadLocal

Posted 2020-06-13

1.概念

　　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。

2.举例分析

 6 public class ThreadLocalTest {
 7  
 8     //创建一个Integer型的线程本地变量
 9     public static final ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<Integer>() {
10         @Override
11         protected Integer initialValue() {
12             return 0;
13         }
14     };
15  
16     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
17         Thread[] threads = new Thread[5];
18         for (int j = 0; j < 5; j++) {
19             threads[j] = new Thread(new Runnable() {
20                 @Override
21                 public void run() {
22                     //获取当前线程的本地变量，然后累加5次
23                     int num = local.get();
24                     for (int i = 0; i < 5; i++) {
25                         num++;
26                     }
27                     //重新设置累加后的本地变量
28                     local.set(num);
29                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + local.get());
30  
31                 }
32             }, "Thread-" + j);
33         }
34  
35         for (Thread thread : threads) {
36             thread.start();
37         }
38     }
39 }
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41 运行结果：
42 Thread-0 : 5
43 Thread-3 : 5
44 Thread-2 : 5
45 Thread-1 : 5
46 Thread-4 : 5

　　我们看到，每个线程累加后的结果都是5，各个线程处理自己的本地变量值，线程之间互不影响。

3.深入源码

　　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：

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}
 
public T get() {
    //获取当前执行线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //取得当前线程的ThreadLocalMap实例
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //如果map不为空，说明该线程已经有了一个ThreadLocalMap实例
    if (map != null) {
        //map中保存线程的所有的线程本地变量，我们要去查找当前线程本地变量
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        //如果当前线程本地变量存在这个map中，则返回其对应的值
        if (e != null)
            return (T)e.value;
    }
    //如果map不存在或者map中不存在当前线程本地变量，返回初始值
    return setInitialValue();
}
 
private T setInitialValue() {
    //获取初始化值，initialValue 就是我们之前覆盖的方法
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //如果map不为空，将初始化值放入到当前线程的ThreadLocalMap对象中
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        //当前线程第一次使用本地线程变量，需要对map进行初始化工作
        createMap(t, value);
    //返回初始化值
    return value;
}

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

　　ThreadLocal有一个内部类ThreadLocalMap,这个类的实现占了整个ThreadLocal类源码的一多半。这个ThreadLocalMap的作用非常关键，它就是线程真正保存线程自己本地变量的容器。每一个线程都有自己的单独的一个ThreadLocalMap实例，其所有的本地变量都会保存到这一个map中。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。

//直接返回线程对象的threadLocals属性
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

　　Thread对象都有一个ThreadLocalMap类型的属性threadLocals，这个属性是专门用于保存自己所有的线程本地变量的。这个属性在线程对象初始化的时候为null。所以对一个线程对象第一次使用线程本地变量的时候，需要对这个threadLocals属性进行初始化操作。

4.总结

　　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。