Java多線程基礎(chǔ)-ThreadLocal

JasonZhang 發(fā)布于2019-08-16 13:25 / 2982人閱讀

摘要：并沒有提供語言級的線程局部變量，而是在類庫里提供了線程局部變量的功能，也就是這次的主角類。

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序

在多線程環(huán)境下，訪問非線程安全的變量時必須進行線程同步，例如使用synchronized方式訪問HashMap實例。但是同步訪問會降低并發(fā)性，影響系統(tǒng)性能。這時候就可以用空間換時間，如果我們給每個線程都分配一個獨立的變量，就可以用非同步的方式使用非線程安全的變量，我們稱這種變量為線程局部變量。

顧名思義，線程局部變量是指每個線程都有一份屬于自己獨立的變量副本，不會像普通局部變量一樣可以被其他線程訪問到。Java并沒有提供語言級的線程局部變量，而是在類庫里提供了線程局部變量的功能，也就是這次的主角ThreadLocal類。

ThreadLocal的使用

Java8版本的ThreadLocal有上圖所示的4個public方法和一個protected的方法，第一個方法用于返回初始值，默認是null。第二個靜態(tài)方法withInitial(Supplier supplier)是Java8版本新添加的，后面三個實例方法則非常的簡單。

在Java8之前，使用ThreadLocal時想要設(shè)置初始值時需要繼承ThreadLocal類覆蓋protected T initialValue()方法才行，例如：

ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal() {
    @Override
    protected Integer initialValue() {
        return 0;
    }
};

在Java8版本可以使用新添加的靜態(tài)方法withInitial(Supplier supplier)，非常方便的設(shè)置初始值，例如：

ThreadLocal threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

System.out.println(threadLocal.get());
threadLocal.set(16);
System.out.println(threadLocal.get());
threadLocal.remove();
System.out.println(threadLocal.get());

// 同一個線程的輸出
0
16
0

Process finished with exit code 0

ThreadLocal的原理

那么ThreadLocal是怎么實現(xiàn)線程局部變量的功能的呢？其實ThreadLocal的基本原理并沒有十分復(fù)雜。ThreadLocal在內(nèi)部定義了一個靜態(tài)類ThreadLocalMap，ThreadLocalMap的鍵為ThreadLocal對象，ThreadLocalMap的值就是ThreadLocal存儲的值，不過這個ThreadLocalMap是在Thread類里維護的。我們來看一下ThreadLocal的部分源碼：

    // ThreadLocal的set方法
    public void set(T value) {
        // 獲取當(dāng)前線程對象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 獲取Map
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            // 設(shè)置值
            map.set(this, value);
        else
            // 初始化Map
            createMap(t, value);
    }
    
    // ThreadLocal的createMap方法
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
    
    // Thread類定義的實例域
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

可以看出ThreadLocal的核心實現(xiàn)就是ThreadLocalMap的實現(xiàn)了，ThreadLocalMap內(nèi)部聲明了一個Entry類來存儲數(shù)據(jù)：

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

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

ThreadLocalMap的實現(xiàn)與HashMap的實現(xiàn)有相似的地方，比如同樣是使用數(shù)組存儲數(shù)據(jù)和自動擴容，不同的是hash算法與hash碰撞后的處理不一樣。

        // ThreadLocalMap的set方法
        private void set(ThreadLocal key, Object value) {

            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            // 計算在Entry[]中的索引，每個ThreadLocal對象都有一個hash值threadLocalHashCode，每初始化一個ThreadLocal對象，hash值就增加一個固定的大小0x61c88647
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                ThreadLocal k = e.get();
                // 如果鍵已存在就更新值
                if (k == key) {
                    e.value = value;
                    return;
                }
                // 代替無效的鍵
                if (k == null) {
                    replaceStaleEntry(key, value, i);
                    return;
                }
            }

            tab[i] = new Entry(key, value);
            int sz = ++size;
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                rehash();
        }
        
        private static int nextIndex(int i, int len) {
            return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
        }

可以看到ThreadLocalMap把Entry[]數(shù)組當(dāng)成一個圓環(huán)。從計算出來的索引位置開始，如果該索引已經(jīng)有數(shù)據(jù)了就判斷Key是否相同，相同就更新值。否則就直到找到一個空的位置把值放進去。獲取值的時候也類似，從計算出來的索引位置開始一個一個檢查Key是否相同，這樣hash碰撞比較多的話可能性能就不是很好。

ThreadLocal的應(yīng)用

ThreadLocal的應(yīng)用是非常廣的，比如Java工程師非常熟悉的Spring框架中就使用了ThreadLocal來把非線程安全的狀態(tài)性對象封裝起來，所以我們可以把絕大部分的Bean聲明為singleton作用域。我們在編寫多線程代碼時也可以想想是用同步的方式訪問非線程安全的狀態(tài)性對象比較好，還是使用ThreadLocal把非線程安全的狀態(tài)性對象封裝起來更好。

后記

本來下定決心準(zhǔn)備一周一篇的，結(jié)果偷懶了一次后趕上了公司旅游。這一下子摸了兩篇，只能后面慢慢補了……ThreadLocal我很早就看到過了，一直沒什么實感，直到在《精通Spring 4.X 企業(yè)應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)》看到在Spring中的應(yīng)用后才發(fā)現(xiàn)，我從來沒想過為什么Spring里的Dao類可以聲明為單例作用域……沒有舉一反三的能力就只能多看書了，活到老學(xué)到老。

參考資料：

《Java核心技術(shù) 卷一》

《精通Spring 4.X 企業(yè)應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)》