ThreadLocal类详解

Posted 2020-09-05 Pearl_zhen

学习一个东西首先要知道为什么要引入它，就是我们能用它来干什么。所以我们先来看看ThreadLocal对我们到底有什么用，然后再来看看它的实现原理。

ThreadLocal如果单纯从名字上来看像是“本地线程"这么个意思，只能说这个名字起的确实不太好，很容易让人产生误解，ThreadLocalVariable（线程本地变量）应该是个更好的名字。我们先看一下官方对ThreadLocal的描述：

该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物，因为访问某个变量（通过其 get 或 set 方法）的每个线程都有自己的局部变量，它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal 实例通常是类中的 private static 字段，它们希望将状态与某一个线程（例如，用户 ID 或事务 ID）相关联。

我们从中摘出要点：

1、每个线程都有自己的局部变量

    每个线程都有一个独立于其他线程的上下文来保存这个变量，一个线程的本地变量对其他线程是不可见的（有前提，后面解释）

2、独立于变量的初始化副本

    ThreadLocal可以给一个初始值，而每个线程都会获得这个初始化值的一个副本，这样才能保证不同的线程都有一份拷贝。

3、状态与某一个线程相关联

    ThreadLocal 不是用于解决共享变量的问题的，不是为了协调线程同步而存在，而是为了方便每个线程处理自己的状态而引入的一个机制，理解这点对正确使用ThreadLocal至关重要。

我们先看一个简单的例子：

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

运行后结果：

Thread-0 : 5
Thread-4 : 5
Thread-2 : 5
Thread-1 : 5
Thread-3 : 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。

我们再来看一个例子：

 1 public class ThreadLocalTest {
 2     private static Index num = new Index();
 3         //创建一个Index类型的本地变量 
 4     private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
 5         @Override
 6         protected Index initialValue() {
 7             return num;
 8         }
 9     };
10 
11     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
12         Thread[] threads = new Thread[5];
13         for (int j = 0; j < 5; j++) {
14             threads[j] = new Thread(new Runnable() {
15                 @Override
16                 public void run() {
17                                         //取出当前线程的本地变量，并累加1000次
18                     Index index = local.get();
19                     for (int i = 0; i < 1000; i++) {                                          
20                         index.increase();
21                     }
22                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : "+ index.num);
23 
24                 }
25             }, "Thread-" + j);
26         }
27         for (Thread thread : threads) {
28             thread.start();
29         }
30     }
31 
32     static class Index {
33         int num;
34 
35         public void increase() {
36             num++;
37         }
38     }
39 }

执行后我们发现结果如下（每次运行还都不一样）：

Thread-0 : 1390
Thread-2 : 2390
Thread-4 : 4390
Thread-3 : 3491
Thread-1 : 1390

这次为什么线程本地变量又失效了呢？大家可以仔细观察上面代码自己先找一下原因。

-----------------------------------------------低调的分割线-------------------------------------------

让我们再来回味一下 “ThreadLocal可以给一个初始值，而每个线程都会获得这个初始化值的一个副本” 这句话。“初始值的副本。。。”，貌似想起点什么。我们再来看一下上面代码中定义ThreadLocal的地方

1 private static Index num = new Index();
2     private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
3         @Override
4         protected Index initialValue() {
5             return num;       // 注意这里，返回的是已经定义好的对象num，而不是new Index()
6         }
7     };

 上面代码中，我们通过覆盖initialValue函数来给我们的ThreadLocal提供初始值，每个线程都会获取这个初始值的一个副本。而现在我们的初始值是一个定义好的一个对象，num是这个对象的引用.换句话说我们的初始值是一个引用。引用的副本和引用指向的不就是同一个对象吗？

如果我们想给每一个线程都保存一个Index对象应该怎么办呢？那就是创建对象的副本而不是对象引用的副本：

1 private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
2         @Override
3         protected Index initialValue() {
4             return new Index(); //注意这里
5         }
6     };

对象的拷贝图示：

  

现在我们应该能明白ThreadLocal本地变量的含义了吧。接下来我们就来看看ThreadLocal的源码，从内部来揭示它的神秘面纱。

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。现在就让我们从ThreadLocal的get和set这两个最常用的方法开始分析：

 1 public T get() {
 2         //获取当前执行线程
 3         Thread t = Thread.currentThread();
 4         //取得当前线程的ThreadLocalMap实例
 5         ThreadLocalMap map = getMap(t);
 6         //如果map不为空，说明该线程已经有了一个ThreadLocalMap实例
 7         if (map != null) {
 8             //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
 9             ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
10             //如果当前线程本地变量存在这个map中，则返回其对应的值
11             if (e != null)
12                 return (T)e.value;
13         }
14         //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
15         return setInitialValue();
16     }

强调一下：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。注意要区别 “线程第一次使用本地线程变量”和“第一次使用某一个线程本地线程变量”。

getMap方法:

1 //直接返回线程对象的threadLocals属性
2 ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
3         return t.threadLocals;
4     }

setInitialValue方法：（看完后再回顾一下之前的那个例子）

 1 private T setInitialValue() {
 2         //获取初始化值，initialValue 就是我们之前覆盖的方法
 3         T value = initialValue();
 4         Thread t = Thread.currentThread();
 5         ThreadLocalMap map = getMap(t);
 6         //如果map不为空，将初始化值放入到当前线程的ThreadLocalMap对象中
 7         if (map != null)
 8             map.set(this, value);
 9         else
10             //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
11             createMap(t, value);
12         //返回初始化值
13         return value;
14     }

 我们再来看一下set方法

 1 public void set(T value) {
 2         Thread t = Thread.currentThread();
 3         ThreadLocalMap map = getMap(t);
 4 
 5         if (map != null)
 6             map.set(this, value);
 7         //说明线程第一次使用线程本地变量(注意这里的第一次含义)
 8         else
 9             createMap(t, value);
10     } 

ThradLocal还有一个remove方法，让我们来分析一下:

1 public void remove() {
2          //获取当前线程的ThreadLocalMap对象
3          ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
4          //如果map不为空，则删除该本地变量的值
5          if (m != null)
6              m.remove(this);
7      }

到这里大家应该对ThreadLocal变量比较清晰了，至于ThradLocalMap的实现细节这里就不在说了。大家有兴趣可以自己去看ThreadLocal的源码。