彻底理解ThreadLocal（转）

ThreadLocal是什么

　　早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。

　　当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

　　从线程的角度看，目标变量就象是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。

　　所以，在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些，因此造成线程局部变量没有在Java开发者中得到很好的普及。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：

• void set(Object value)设置当前线程的线程局部变量的值。

• public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。

• public void remove()将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。

• protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

　　值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已经支持泛型，该类的类名已经变为ThreadLocal<T>。API方法也相应进行了调整，新版本的API方法分别是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。

　　ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢？其实实现的思路很简单：在ThreadLocal类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。我们自己就可以提供一个简单的实现版本：

package com.test;  
  
public class TestNum {  
    // ①通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值  
    private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {  
        public Integer initialValue() {  
            return 0;  
        }  
    };  
  
    // ②获取下一个序列值  
    public int getNextNum() {  
        seqNum.set(seqNum.get() + 1);  
        return seqNum.get();  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {  
        TestNum sn = new TestNum();  
        // ③ 3个线程共享sn，各自产生序列号  
        TestClient t1 = new TestClient(sn);  
        TestClient t2 = new TestClient(sn);  
        TestClient t3 = new TestClient(sn);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t3.start();  
    }  
  
    private static class TestClient extends Thread {  
        private TestNum sn;  
  
        public TestClient(TestNum sn) {  
            this.sn = sn;  
        }  
  
        public void run() {  
            for (int i = 0; i < 3; i++) {  
                // ④每个线程打出3个序列值  
                System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> sn["  
                         + sn.getNextNum() + "]");  
            }  
        }  
    }  
} 

 通常我们通过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类，提供初始的变量值，如例子中①处所示。TestClient线程产生一组序列号，在③处，我们生成3个TestClient，它们共享同一个TestNum实例。运行以上代码，在控制台上输出以下的结果：

thread[Thread-0] --> sn[1]
thread[Thread-1] --> sn[1]
thread[Thread-2] --> sn[1]
thread[Thread-1] --> sn[2]
thread[Thread-0] --> sn[2]
thread[Thread-1] --> sn[3]
thread[Thread-2] --> sn[2]
thread[Thread-0] --> sn[3]
thread[Thread-2] --> sn[3]

考察输出的结果信息，我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个TestNum实例，但它们并没有发生相互干扰的情况，而是各自产生独立的序列号，这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本

Thread同步机制的比较

　　ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢？ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

　　在同步机制中，通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写，什么时候需要锁定某个对象，什么时候释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。

　　而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

　　由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象，需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题，在一定程度地简化ThreadLocal的使用，代码清单 9 2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。

　　概括起来说，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

　　Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题我们知道在一般情况下，只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非线程安全状态采用ThreadLocal进行处理，让它们也成为线程安全的状态，因为有状态的Bean就可以在多线程中共享了。

　　一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次，在不同的层中编写对应的逻辑，下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下，从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程，如图9‑2所示：

　同一线程贯通三层这样你就可以根据需要，将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放，在同一次请求响应的调用线程中，所有关联的对象引用到的都是同一个变量。

　　下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路：

代码清单3 TestDao：非线程安全

ackage com.test;  
  
import java.sql.Connection;  
import java.sql.SQLException;  
import java.sql.Statement;  
  
public class TestDao {  
    private Connection conn;// ①一个非线程安全的变量  
  
    public void addTopic() throws SQLException {  
        Statement stat = conn.createStatement();// ②引用非线程安全变量  
        // …  
    }  
} 

由于①处的conn是成员变量，因为addTopic()方法是非线程安全的，必须在使用时创建一个新TopicDao实例（非singleton）。下面使用ThreadLocal对conn这个非线程安全的“状态”进行改造：

代码清单4 TestDao：线程安全

package com.test;  
  
import java.sql.Connection;  
import java.sql.SQLException;  
import java.sql.Statement;  
  
public class TestDaoNew {  
    // ①使用ThreadLocal保存Connection变量  
    private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();  
  
    public static Connection getConnection() {  
        // ②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection，  
        // 并将其保存到线程本地变量中。  
        if (connThreadLocal.get() == null) {  
            Connection conn = getConnection();  
            connThreadLocal.set(conn);  
            return conn;  
        } else {  
            return connThreadLocal.get();// ③直接返回线程本地变量  
        }  
    }  
  
    public void addTopic() throws SQLException {  
        // ④从ThreadLocal中获取线程对应的Connection  
        Statement stat = getConnection().createStatement();  
    }  
} 

不同的线程在使用TopicDao时，先判断connThreadLocal.get()是否是null，如果是null，则说明当前线程还没有对应的Connection对象，这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中；如果不为null，则说明当前的线程已经拥有了Connection对象，直接使用就可以了。这样，就保证了不同的线程使用线程相关的Connection，而不会使用其它线程的Connection。因此，这个TopicDao就可以做到singleton共享了。

　　当然，这个例子本身很粗糙，将Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题，但无法和其它DAO共用同一个Connection，要做到同一事务多DAO共享同一Connection，必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。

ConnectionManager.java

package com.test;  
  
import java.sql.Connection;  
import java.sql.DriverManager;  
import java.sql.SQLException;  
  
public class ConnectionManager {  
  
    private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {  
        @Override  
        protected Connection initialValue() {  
            Connection conn = null;  
            try {  
                conn = DriverManager.getConnection(  
                        "jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username",  
                        "password");  
            } catch (SQLException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
            return conn;  
        }  
    };  
  
    public static Connection getConnection() {  
        return connectionHolder.get();  
    }  
  
    public static void setConnection(Connection conn) {  
        connectionHolder.set(conn);  
    }  
}