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Java 并發編程之ThreadLocal詳解及實例

發布時間:2020-09-12 05:11:56 來源:腳本之家 閱讀:164 作者:書呆子Rico 欄目:編程語言

Java 理解 ThreadLocal

摘要:

  ThreadLocal 又名線程局部變量,是 Java 中一種較為特殊的線程綁定機制,用于保證變量在不同線程間的隔離性,以方便每個線程處理自己的狀態。進一步地,本文以ThreadLocal類的源碼為切入點,深入分析了ThreadLocal類的作用原理,并給出應用場景和一般使用步驟。

一. 對 ThreadLocal 的理解

1). ThreadLocal 概述

  ThreadLocal 又名 線程局部變量,是 Java 中一種較為特殊的 線程綁定機制,可以為每一個使用該變量的線程都提供一個變量值的副本,并且每一個線程都可以獨立地改變自己的副本,而不會與其它線程的副本發生沖突。通過 ThreadLocal 存取的數據,總是與當前線程相關,也就是說,JVM 為每個運行的線程綁定了私有的本地實例存取空間,從而為多線程環境常出現的并發訪問問題提供了一種 隔離機制 。

2). ThreadLocal 在 JDK 中的定義

ThreadLocal

This class provides thread-local variables. These variables differ from their normal counterparts(副本) in that each thread that accesses one (via its get or set method) has its own, independently initialized copy of the variable. ThreadLocal instances are typically private static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g., a user ID or Transaction ID).
Each thread holds an implicit reference to its copy of a thread-local variable (見下圖)
as long as the thread is alive and the ThreadLocal instance is accessible; after a thread goes away, all of its copies of thread-local instances are subject to garbage collection (unless other references to these copies exist).

       Java 并發編程之ThreadLocal詳解及實例

我們可以從中摘出三條要點:

每個線程都有關于該 ThreadLocal變量 的私有值

 每個線程都有一個獨立于其他線程的上下文來保存這個變量的值,并且對其他線程是不可見的。

獨立于變量的初始值

 ThreadLocal 可以給定一個初始值,這樣每個線程就會獲得這個初始化值的一個拷貝,并且每個線程對這個值的修改對其他線程是不可見的。

狀態與某一個線程相關聯

 ThreadLocal 不是用于解決共享變量的問題的,也不是為了協調線程同步而存在,而是為了方便每個線程處理自己的狀態而引入的一個機制,理解這點對正確使用 ThreadLocal 至關重要。

3). 應用場景

  類 ThreadLocal 主要解決的就是為每個線程綁定自己的值,以方便其處理自己的狀態。形象地講,可以將 ThreadLocal變量 比喻成全局存放數據的盒子,盒子中可以存儲每個線程的私有數據。例如,以下類用于生成對每個線程唯一的局部標識符。線程 ID 是在第一次調用 uniqueNum.get() 時分配的,在后續調用中不會更改。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class UniqueThreadIdGenerator {
  private static final AtomicInteger uniqueId = new AtomicInteger(0);

  private static final ThreadLocal<Integer> uniqueNum = new ThreadLocal<Integer>() {
    @Override
    protected Integer initialValue() {
      return uniqueId.getAndIncrement();
    }
  };

  public static void main(String[] args) {
    Thread[] threads = new Thread[5];
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      String name = "Thread-" + i;
      threads[i] = new Thread(name){
        @Override
        public void run() {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": "
              + uniqueNum.get());
        }
      };
      threads[i].start();
    }

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": "
        + uniqueNum.get());
  }
}/* Output(輸出結果不唯一): 
    Thread-1: 2
    Thread-0: 0
    Thread-2: 3
    main: 1
    Thread-3: 4
    Thread-4: 5
 *///:~

二. 深入分析ThreadLocal類

  下面,我們來看一下 ThreadLocal 的具體實現,該類一共提供的四個方法:

public T get() { }
public void set(T value) { }
public void remove() { }
protected T initialValue() { }

  其中,get()方法是用來獲取 ThreadLocal變量 在當前線程中保存的值,set() 用來設置 ThreadLocal變量 在當前線程中的值,remove() 用來移除當前線程中相關 ThreadLocal變量,initialValue() 是一個 protected 方法,一般需要重寫。

1、 原理探究

1). 切入點:get()

  首先,我們先看其源碼:

 /**
   * Returns the value in the current thread's copy of this
   * thread-local variable. If the variable has no value for the
   * current thread, it is first initialized to the value returned
   * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
   *
   * @return the current thread's value of this thread-local
   */
  public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();  // 獲取當前線程對象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);   // 獲取當前線程的成員變量 threadLocals
    if (map != null) {
      // 從當前線程的 ThreadLocalMap 獲取該 thread-local variable 對應的 entry
      ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);  
      if (e != null)   
        return (T)e.value;  // 取得目標值
    }
    return setInitialValue(); 
  }

2).關鍵點:setInitialValue()

/**
   * Variant of set() to establish initialValue. Used instead
   * of set() in case user has overridden the set() method.
   *
   * @return the initial value
   */
  private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();   // 默認實現返回 null
    Thread t = Thread.currentThread();  // 獲得當前線程
    ThreadLocalMap map = getMap(t);   // 得到當前線程 ThreadLocalMap類型域 threadLocals
    if (map != null)
      map.set(this, value); // 該 map 的鍵是當前 ThreadLocal 對象
    else
      createMap(t, value);  
    return value;
  }

  我們緊接著看上述方法涉及到的三個方法:initialValue(),set(this, value) 和 createMap(t, value)。

(1) initialValue()

 /**
   * Returns the current thread's "initial value" for this
   * thread-local variable. This method will be invoked the first
   * time a thread accesses the variable with the {@link #get}
   * method, unless the thread previously invoked the {@link #set}
   * method, in which case the <tt>initialValue</tt> method will not
   * be invoked for the thread. Normally, this method is invoked at
   * most once per thread, but it may be invoked again in case of
   * subsequent invocations of {@link #remove} followed by {@link #get}.
   *
   * <p>This implementation simply returns <tt>null</tt>; if the
   * programmer desires thread-local variables to have an initial
   * value other than <tt>null</tt>, <tt>ThreadLocal</tt> must be
   * subclassed, and this method overridden. Typically, an
   * anonymous inner class will be used.
   *
   * @return the initial value for this thread-local
   */
  protected T initialValue() {
    return null;      // 默認實現返回 null
  }

(2) createMap()

/**
   * Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
   * InheritableThreadLocal.
   *
   * @param t the current thread
   * @param firstValue value for the initial entry of the map
   * @param map the map to store.
   */
  void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); // this 指代當前 ThreadLocal 變量,為 map 的鍵 
  }

至此,可能大部分朋友已經明白了 ThreadLocal類 是如何為每個線程創建變量的副本的:

  ① 在每個線程Thread內部有一個 ThreadLocal.ThreadLocalMap 類型的成員變量 threadLocals,這個threadLocals就是用來存儲實際的ThreadLocal變量副本的,鍵值為當前ThreadLocal變量,value為變量的副本(值);

  ② 初始時,在Thread里面,threadLocals為空,當通過ThreadLocal變量調用get()方法或者set()方法,就會對Thread類中的threadLocals進行初始化,并且以當前ThreadLocal變量為鍵值,以ThreadLocal要保存的值為value,存到 threadLocals;

  ③ 然后在當前線程里面,如果要使用副本變量,就可以通過get方法在對應線程的threadLocals里面查找。

2、實例驗證

  下面通過一個例子來證明通過ThreadLocal能達到在每個線程中創建變量副本的效果:

public class Test {

  ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>();
  ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>();

  public void set() {
    longLocal.set(Thread.currentThread().getId());
    stringLocal.set(Thread.currentThread().getName());
  }

  public long getLong() {
    return longLocal.get();
  }

  public String getString() {
    return stringLocal.get();
  }

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final Test test = new Test();

    test.set();
    System.out.println("父線程 main :");
    System.out.println(test.getLong());
    System.out.println(test.getString());

    Thread thread1 = new Thread() {
      public void run() {
        test.set();
        System.out.println("\n子線程 Thread-0 :");
        System.out.println(test.getLong());
        System.out.println(test.getString());
      };
    };
    thread1.start();
  }
}/* Output: 
    父線程 main :
          1
          main

    子線程 Thread-0 :
          12
          Thread-0
 *///:~

  從這段代碼的輸出結果可以看出,在main線程中和thread1線程中,longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一樣,并且進一步得出:

  • 實際上,通過 ThreadLocal 創建的副本是存儲在每個線程自己的threadLocals中的;
  • 為何 threadLocals 的類型 ThreadLocalMap 的鍵值為 ThreadLocal 對象,因為每個線程中可有多個 threadLocal變量,就像上面代碼中的 longLocal 和 stringLocal;
  • 在進行get之前,必須先set,否則會報空指針異常;若想在get之前不需要調用set就能正常訪問的話,必須重寫initialValue()方法。

三. ThreadLocal的應用場景

  在 Java 中,類 ThreadLocal 解決的是變量在不同線程間的隔離性。 最常見的 ThreadLocal 使用場景有 數據庫連接問題、Session管理等。

(1) 數據庫連接問題

private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
  public Connection initialValue() {
    return DriverManager.getConnection(DB_URL);
  }
};

public static Connection getConnection() {
  return connectionHolder.get();
}

(2) Session管理

private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();

public static Session getSession() throws InfrastructureException {
  Session s = (Session) threadSession.get();
  try {
    if (s == null) {
      s = getSessionFactory().openSession();
      threadSession.set(s);
    }
  } catch (HibernateException ex) {
    throw new InfrastructureException(ex);
  }
  return s;
}

四. ThreadLocal 一般使用步驟

ThreadLocal 使用步驟一般分為三步:

  • 創建一個 ThreadLocal 對象 threadXxx,用來保存線程間需要隔離處理的對象 xxx;
  • 提供一個獲取要隔離訪問的數據的方法 getXxx(),在方法中判斷,若 ThreadLocal對象為null時候,應該 new() 一個隔離訪問類型的對象;
  • 在線程類的run()方法中,通過getXxx()方法獲取要操作的數據,這樣可以保證每個線程對應一個數據對象,在任何時刻都操作的是這個對象,不會交叉。

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