ThreadLocal应用及源码分析

java1234

共 1570字,需浏览 4分钟

 · 2020-11-22

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  作者 |  西凉马戳戳

来源 |  urlify.cn/Fv2ieq

66套java从入门到精通实战课程分享

基本使用

ThreadLocal 的作用是:提供线程内的局部变量,不同的线程之间不会相互干扰,这种变量在线程的生命周期内起作用,减少同一个线程内多个函数或组件之间一些公共变量传递的复杂度,降低耦合性。

方法声明描述
ThreadLocal()创建ThreadLocal对象
public void set( T value)设置当前线程绑定的局部变量
public T get()获取当前线程绑定的局部变量
public void remove()移除当前线程绑定的局部变量

简单使用:

public class MyDemo {
    private String content;

    private String getContent() {
        return content;
    }

    private void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyDemo demo = new MyDemo();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
                    System.out.println("-----------------------");
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
                }
            });
            thread.setName("线程" + i);
            thread.start();
        }
    }
}

public class MyDemo {

    private static ThreadLocal tl = new ThreadLocal<>();

    private String content;

    private String getContent() {
        return tl.get();
    }

    private void setContent(String content) {
         tl.set(content);
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyDemo demo = new MyDemo();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
                    System.out.println("-----------------------");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
                }
            });
            thread.setName("线程" + i);
            thread.start();
        }
    }
}

这样可以很好的解决多线程之间数据隔离的问题,用synchronized加锁也可以实现,但synchronized侧重的是多个线程之间访问资源的同步性,而ThreadLocal侧重的是每个线程之间的数据隔离。


synchronizedThreadLocal
原理同步机制采用'以时间换空间'的方式, 只提供了一份变量,让不同的线程排队访问ThreadLocal采用'以空间换时间'的方式, 为每一个线程都提供了一份变量的副本,从而实现同时访问而相不干扰
侧重点多个线程之间访问资源的同步性多线程中让每个线程之间的数据相互隔离

应用场景

涉及到数据传递线程隔离的场景,可以考虑用ThreadLocal来解决:转账案例,涉及两个DML操作:一个转出,一个转入。这些操作是需要具备原子性的。所以这里就需要操作事务,来保证转出和转入操作具备原子性。开启事务的注意两点:

  • 为了保证所有的操作在一个事务中, 使用的连接必须是同一个: service层开启事务的connection需要跟dao层访问数据库的connection保持一致。

  • 线程并发情况下, 每个线程只能操作各自的 connection。

用ThreadLocal的解决方案:在获取Connection连接的JdbcUtils工具类加入ThreadLocal,代码如下:

public class JdbcUtils {
    //ThreadLocal对象 : 将connection绑定在当前线程中
    private static final ThreadLocal tl = new ThreadLocal();

    // c3p0 数据库连接池对象属性
    private static final ComboPooledDataSource ds = new ComboPooledDataSource();

    // 获取连接
    public static Connection getConnection() throws SQLException {
        //取出当前线程绑定的connection对象
        Connection conn = tl.get();
        if (conn == null) {
            //如果没有,则从连接池中取出
            conn = ds.getConnection();
            //再将connection对象绑定到当前线程中
            tl.set(conn);
        }
        return conn;
    }

    //释放资源
    public static void release(AutoCloseable... ios) {
        for (AutoCloseable io : ios) {
            if (io != null) {
                try {
                    io.close();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void commitAndClose() {
        try {
            Connection conn = getConnection();
            //提交事务
            conn.commit();
            //解除绑定
            tl.remove();
            //释放连接
            conn.close();
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void rollbackAndClose() {
        try {
            Connection conn = getConnection();
            //回滚事务
            conn.rollback();
            //解除绑定
            tl.remove();
            //释放连接
            conn.close();
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

可以看出使用ThreadLocal的好处:

  1. 传递数据 :保存每个线程绑定的数据,在需要的地方可以直接获取, 避免参数直接传递带来的代码耦合问题

  2. 线程隔离 :各线程之间的数据相互隔离却又具备并发性,避免同步方式带来的性能损失

ThreadLocal的内部结构

jdk8以前:

jdk8之前使用ThreadLocal来维护一个ThreadLocalMap,以线程作为key

jdk8以后:

jdk8之后使用Thread来维护一个ThreadLocalMap,以ThreadLocal作为key

这样涉及的好处:

(1) 每个Map存储的Entry数量就会变少,因为jdk8之前的存储数量由Thread的数量决定,现在是由ThreadLocal的数量决定。

(2) 当Thread销毁之后,对应的ThreadLocalMap也会随之销毁,能减少内存的使用。

ThreadLocal核心方法的源码

方法声明描述
protected T initialValue()返回当前线程局部变量的初始值
public void set( T value)设置当前线程绑定的局部变量
public T get()获取当前线程绑定的局部变量
public void remove()移除当前线程绑定的局部变量

get()

/**
     * 返回当前线程中保存ThreadLocal的值
     * 如果当前线程没有此ThreadLocal变量,
     * 则它会通过调用{@link #initialValue} 方法进行初始化值
     *
     * @return 返回当前线程对应此ThreadLocal的值
     */
public T get() {
    // 获取当前线程对象
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 如果此map存在
    if (map != null) {
        // 以当前的ThreadLocal 为 key,调用getEntry获取对应的存储实体e
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        // 找到对应的存储实体 e 
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            // 获取存储实体 e 对应的 value值
            // 即为我们想要的当前线程对应此ThreadLocal的值
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 如果map不存在,则证明此线程没有维护的ThreadLocalMap对象
    // 调用setInitialValue进行初始化
    return setInitialValue();
}

/**
     * set的变样实现,用于初始化值initialValue,
     * 用于代替防止用户重写set()方法
     *
     * @return the initial value 初始化后的值
     */
private T setInitialValue() {
    // 调用initialValue获取初始化的值
    T value = initialValue();
    // 获取当前线程对象
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 如果此map存在
    if (map != null)
        // 存在则调用map.set设置此实体entry
        map.set(this, value);
    else
        // 1)当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
        // 2)则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
        // 3)并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
        createMap(t, value);
    // 返回设置的值value
    return value;
}

/**
     * 获取当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     * 
     * @param  t the current thread 当前线程
     * @return the map 对应维护的ThreadLocalMap 
     */
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}
/**
     *创建当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     *
     * @param t 当前线程
     * @param firstValue 存放到map中第一个entry的值
     */
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    //这里的this是调用此方法的threadLocal
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

首先调用Thread.currentThread()方法获取当前线程对象,然后根据当前线程获取维护的ThreadLocalMap对象;如果获取的Map不为空,则在Map中以ThreadLocal的引用作为key,调用getEntry获取对应的存储实体,如果Entry不为空,获取对应的 value值。如果Map为空或者Entry为空,则调用setInitialValue()方法。setInitialValue()方法里,调用initialValue()方法获取初始化值value,然后判断当前线程是否有ThreadLocalMap,map存在,调用set设置Entry;map不存在则调用createMap()进行ThreadLocalMap对象的初始化,并将此entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中。

set()

/**
     * 设置当前线程对应的ThreadLocal的值
     *
     * @param value 将要保存在当前线程对应的ThreadLocal的值
     */
public void set(T value) {
    // 获取当前线程对象
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 如果此map存在
    if (map != null)
        // 存在则调用map.set设置此实体entry
        map.set(this, value);
    else
        // 1)当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
        // 2)则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
        // 3)并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
        createMap(t, value);
}

A. 首先获取当前线程,并根据当前线程获取一个ThreadLocalMap

B. 如果获取的Map不为空,则将参数设置到Map中(当前ThreadLocal的引用作为key)

C. 如果Map为空,则调用createMap给该线程创建 Map,并设置初始值

remove()

/**
     * 删除当前线程中保存的ThreadLocal对应的实体entry
     */
public void remove() {
    // 获取当前线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    // 如果此map存在
    if (m != null)
        // 存在则调用map.remove
        // 以当前ThreadLocal为key删除对应的实体entry
        m.remove(this);
}

A. 首先获取当前线程,并根据当前线程获取一个ThreadLocalMap

B. 如果获取的Map不为空,则移除当前ThreadLocal对象对应的entry

initialValue()

protected T initialValue() {
    return null;
}

(1) 这个方法是一个延迟调用方法,在set方法还未调用而先调用了get方法时才执行,并且仅执行1次。

(2)这个方法直接返回一个null

(3)如果想要一个除null之外的初始值,可以重写此方法。(备注:该方法是一个protected的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的)

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类,没有实现Map接口,用独立的方式实现了Map的功能,其内部的Entry也是独立实现。

1、成员变量

/**
     * 初始容量 —— 必须是2的整次幂
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 存放数据的table
     * 同样,数组长度必须是2的幂。
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * 数组里面entrys的个数,可以用于判断table当前使用量是否超过负载因子。
     */
    private int size = 0;

    /**
     * 进行扩容的阈值,表使用量大于它的时候进行扩容。
     */
    private int threshold; // Default to 0
    
    /**
     * 阈值设置为长度的2/3
     */
    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

2、Entry

static class Entry extends WeakReference {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

在ThreadLocalMap中,也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象,这点被Entry的构造方法已经限定死了;
另外,Entry继承WeakReference,使用弱引用,可以将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑,持有对ThreadLocal的弱引用,可以使得ThreadLocal在没有其他强引用的时候被回收掉,这样可以避免因为线程得不到销毁导致ThreadLocal对象无法被回收

3、hash冲突的解决

ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue) {
    //初始化table
    table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY]; //16
    //计算索引
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    //设置值
    table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    //设置阈值
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}


    & (INITIAL_CAPACITY - 1),这是取模的一种方式,对于2的幂取模,用此代替%(2^n),这也就是为啥容量必须为2的幂

    firstKey.threadLocalHashCode

    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
        
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
    private static AtomicInteger nextHashCode =  new AtomicInteger();

    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

    这里定义了一个AtomicInteger类型,每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT,HASH_INCREMENT = 0x61c88647,这个值是32位整型上限2^32-1乘以黄金分割比例0.618....的值2654435769,用有符号整型表示就是-1640531527,去掉符号后16进制表示为0x61c88647,目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组Entry[] table中。

    • 线性探测法:

    该方法一次探测下一个地址,直到有空的地址后插入,若整个空间都找不到空余的地址,则产生溢出。假设当前table长度为16,也就是说如果计算出来key的hash值为14,如果table[14]上已经有值,并且其key与当前key不一致,那么就发生了hash冲突,这个时候将14加1得到15,取table[15]进行判断,这个时候如果还是冲突会回到0,取table[0],以此类推,直到可以插入。可以把table看成一个环形数组

     /**
         * 获取环形数组的下一个索引
         */
        private static int nextIndex(int i, int len) {
            return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
        }

        /**
         * 获取环形数组的上一个索引
         */
        private static int prevIndex(int i, int len) {
            return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
        }
    • ThreadLocalMap的set():

    private void set(ThreadLocal key, Object value) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        //计算索引
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
        /**
             * 根据获取到的索引进行循环,如果当前索引上的table[i]不为空,在没有return的情况下,
             * 就使用nextIndex()获取下一个(线性探测法)。
             */
        for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
             e != null;
             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
            ThreadLocal k = e.get();
            //table[i]上key不为空,并且和当前key相同,更新value
            if (k == key) {
                e.value = value;
                return;
            }
            /**
                 * table[i]上的key为空,说明被回收了
                 * 这个时候table[i]可以重新使用,用新的key-value将其替换,并删除其他无效的entry
                 */
            if (k == null) {
                replaceStaleEntry(key, value, i);
                return;
            }
        }





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