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  • Java并发编程:深入剖析ThreadLocal(转)

    目录大纲:

      一.对ThreadLocal的理解

      二.深入解析ThreadLocal类

      三.ThreadLocal的应用场景

      四.ThreadLocal对象的回收

    一.对ThreadLocal的理解

      ThreadLocal,很多地方叫做线程本地变量,也有些地方叫做线程本地存储,其实意思差不多。ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本,那么每个线程可以访问自己内部的副本变量。

      先看一个例子:

    class ConnectionManager {
         
        private static Connection connect = null;
         
        public static Connection openConnection() {
            if(connect == null){
                connect = DriverManager.getConnection();
            }
            return connect;
        }
         
        public static void closeConnection() {
            if(connect!=null)
                connect.close();
        }
    }

      假设有这样一个数据库链接管理类,这段代码在单线程中使用是没有任何问题的,但是如果在多线程中使用呢?很显然,在多线程中使用会存在线程安全问题:第一,这里面的2个方法都没有进行同步,很可能在openConnection方法中会多次创建connect;第二,由于connect是共享变量,那么必然在调用connect的地方需要使用到同步来保障线程安全,因为很可能一个线程在使用connect进行数据库操作,而另外一个线程调用closeConnection关闭链接。

      所以出于线程安全的考虑,必须将这段代码的两个方法进行同步处理,并且在调用connect的地方需要进行同步处理。

      这样将会大大影响程序执行效率,因为一个线程在使用connect进行数据库操作的时候,其他线程只有等待。

      那么大家来仔细分析一下这个问题,这地方到底需不需要将connect变量进行共享?事实上,是不需要的。假如每个线程中都有一个connect变量,各个线程之间对connect变量的访问实际上是没有依赖关系的,即一个线程不需要关心其他线程是否对这个connect进行了修改的。

      到这里,可能会有朋友想到,既然不需要在线程之间共享这个变量,可以直接这样处理,在每个需要使用数据库连接的方法中具体使用时才创建数据库链接,然后在方法调用完毕再释放这个连接。比如下面这样:

    class ConnectionManager {
         
        private  Connection connect = null;
         
        public Connection openConnection() {
            if(connect == null){
                connect = DriverManager.getConnection();
            }
            return connect;
        }
         
        public void closeConnection() {
            if(connect!=null)
                connect.close();
        }
    }
     
    class Dao{
        public void insert() {
            ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();
            Connection connection = connectionManager.openConnection();
             
            //使用connection进行操作
            connectionManager.closeConnection();
        }
    }

      这样处理确实也没有任何问题,由于每次都是在方法内部创建的连接,那么线程之间自然不存在线程安全问题。但是这样会有一个致命的影响:导致服务器压力非常大,并且严重影响程序执行性能。由于在方法中需要频繁地开启和关闭数据库连接,这样不尽严重影响程序执行效率,还可能导致服务器压力巨大。

      那么这种情况下使用ThreadLocal是再适合不过的了,因为ThreadLocal在每个线程中对该变量会创建一个副本,即每个线程内部都会有一个该变量,且在线程内部任何地方都可以使用,线程之间互不影响,这样一来就不存在线程安全问题,也不会严重影响程序执行性能。

      但是要注意,虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题,但是由于在每个线程中都创建了副本,所以要考虑它对资源的消耗,比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

    二.深入解析ThreadLocal类

      在上面谈到了对ThreadLocal的一些理解,那我们下面来看一下具体ThreadLocal是如何实现的。

      先了解一下ThreadLocal类提供的几个方法:

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

      get()方法是用来获取ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本,set()用来设置当前线程中变量的副本,remove()用来移除当前线程中变量的副本,initialValue()是一个protected方法,一般是用来在使用时进行重写的,它是一个延迟加载方法,下面会详细说明。

      首先我们来看一下ThreadLocal类是如何为每个线程创建一个变量的副本的。

      先看下get方法的实现

    /**
     * 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();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

       第一句是取得当前线程,然后通过getMap(t)方法获取到一个map,map的类型为ThreadLocalMap。然后接着下面获取到<key,value>键值对,注意这里获取键值对传进去的是  this,而不是当前线程t。

      如果获取成功,则返回value值。

      如果map为空,则调用setInitialValue方法返回value。

      我们上面的每一句来仔细分析:

      首先看一下getMap方法中做了什么:

    /**
     * Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
     * InheritableThreadLocal.
     *
     * @param  t the current thread
     * @return the map
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

      可能大家没有想到的是,在getMap中,是调用当期线程t,返回当前线程t中的一个成员变量threadLocals。

      那么我们继续取Thread类中取看一下成员变量threadLocals是什么:

    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

      实际上就是一个ThreadLocalMap,这个类型是ThreadLocal类的一个内部类,我们继续取看ThreadLocalMap的实现:

    static class ThreadLocalMap {
    
        /**
         * The entries in this hash map extend WeakReference, using
         * its main ref field as the key (which is always a
         * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
         * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
         * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
         * as "stale entries" in the code that follows.
         */
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;
    
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
     }

      可以看到ThreadLocalMap的Entry继承了WeakReference,并且使用ThreadLocal作为键值。

      然后再继续看setInitialValue方法的具体实现:

    /**
     * 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();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }

      很容易了解,就是如果map不为空,就设置键值对,为空,再创建Map,看一下createMap的实现:

    /**
     * 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
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

      至此,可能大部分朋友已经明白了ThreadLocal是如何为每个线程创建变量的副本的:

      首先,在每个线程Thread内部有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals,这个threadLocals就是用来存储实际的变量副本的,键值为当前ThreadLocal变量,value为变量副本(即T类型的变量)。

      初始时,在Thread里面,threadLocals为空,当通过ThreadLocal变量调用get()方法或者set()方法,就会对Thread类中的threadLocals进行初始化,并且以当前ThreadLocal变量为键值,以ThreadLocal要保存的副本变量为value,存到threadLocals。

      然后在当前线程里面,如果要使用副本变量,就可以通过get方法在threadLocals里面查找。

      下面通过一个例子来证明通过ThreadLocal能达到在每个线程中创建变量副本的效果:

    public class Test_02 {
        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_02 test = new Test_02();
    
    
            test.set();
            System.out.println(test.getLong());
            System.out.println(test.getString());
    
    
            Thread thread1 = new Thread(){
                public void run() {
                    test.set();
                    System.out.println(test.getLong());
                    System.out.println(test.getString());
                };
            };
            thread1.start();
            thread1.join();
    
            System.out.println(test.getLong());
            System.out.println(test.getString());
        }
    }

      这段代码的输出结果为:

    1
    main
    12
    Thread-0
    1
    main

      从这段代码的输出结果可以看出,在main线程中和thread1线程中,longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一样。最后一次在main线程再次打印副本值是为了证明在main线程中和thread1线程中的副本值确实是不同的。

      总结一下:

      1)实际的通过ThreadLocal创建的副本是存储在每个线程自己的threadLocals中的;

      2)为何threadLocals的类型ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象,因为每个线程中可有多个threadLocal变量,就像上面代码中的longLocal和stringLocal;

      3)在进行get之前,必须先set,否则会报空指针异常;

          如果想在get之前不需要调用set就能正常访问的话,必须重写initialValue()方法。

        因为在上面的代码分析过程中,我们发现如果没有先set的话,即在map中查找不到对应的存储,则会通过调用setInitialValue方法返回i,而在setInitialValue方法中,有一个语句是T value = initialValue(), 而默认情况下,initialValue方法返回的是null。

      

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }
    
    private T setInitialValue() {
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }

      看下面这个例子:

    import jvm.Test;
    
    public class Test_03 {
        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_03 test = new Test_03();
    
            System.out.println(test.getLong());
            System.out.println(test.getString());
    
            Thread thread1 = new Thread(){
                public void run() {
                    test.set();
                    System.out.println(test.getLong());
                    System.out.println(test.getString());
                };
            };
            thread1.start();
            thread1.join();
    
            System.out.println(test.getLong());
            System.out.println(test.getString());
        }
    }

      在main线程中,没有先set,直接get的话,运行时会报空指针异常。

    Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
        at concurrent.t05.Test_03.getLong(Test_03.java:25)
        at concurrent.t05.Test_03.main(Test_03.java:35)

      但是如果改成下面这段代码,即重写了initialValue方法:

    public class Test_04 {
        ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>(){
            protected Long initialValue() {
                return Thread.currentThread().getId();
            };
        };
        ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>(){;
            protected String initialValue() {
                return Thread.currentThread().getName();
            };
        };
    
    
        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_04 test = new Test_04();
    
            test.set();
            System.out.println(test.getLong());
            System.out.println(test.getString());
    
    
            Thread thread1 = new Thread(){
                public void run() {
                    test.set();
                    System.out.println(test.getLong());
                    System.out.println(test.getString());
                };
            };
            thread1.start();
            thread1.join();
    
            System.out.println(test.getLong());
            System.out.println(test.getString());
        }
    }

      就可以直接不用先set而直接调用get了。

    三.ThreadLocal的应用场景

      ThreadLocal 的常见应用场景如下:

    • 处理较为复杂的业务时,使用ThreadLocal代替参数的显示传递。
    • ThreadLocal可以用来做数据库连接池保存Connection对象,这样就可以让线程内多次获取到的连接是同一个了(Spring中的DataSource就是使用的ThreadLocal)。
    • 管理Session会话,将Session保存在ThreadLocal中,使线程处理多次处理会话时始终是一个Session。

      最常见的ThreadLocal使用场景为 用来解决 数据库连接、Session管理等。

      如数据库连接:

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

      如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对象的回收

      Entry是一个弱引用,是因为它不会影响到ThreadLocal的GC行为,如果是强引用的话,在线程运行过程中,我们不再使用ThreadLocal了,将ThreadLocal置为null,但ThreadLocal在线程的ThreadLocalMap里还有引用,导致其无法被GC回收。而Entry声明为WeakReference,ThreadLocal置为null后,线程的ThreadLocalMap就不算强引用了,ThreadLocal就可以被GC回收了。

    //  ThreadLocal中的remove方法
    public void remove() {
        ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
        if (m != null)
            m.remove(this);
    }
    
    //  ThreadLocalMap中的remove方法
    private void remove(ThreadLocal<?> key) {
        Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
        for (Entry e = tab[i];
                e != null;
                e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
            if (e.get() == key) {
                e.clear();
                expungeStaleEntry(i);
                return;
            }
        }
    }

      可能存在的内存泄漏问题

      ThreadLocalMap的生命周期是与线程一样的,但是ThreadLocal却不一定,可能ThreadLocal使用完了就想要被回收,但是此时线程可能不会立即终止,还会继续运行(比如线程池中线程重复利用),如果ThreadLocal对象只存在弱引用,那么在下一次垃圾回收的时候必然会被清理掉。

      如果ThreadLocal没有被外部强引用的情况下,在垃圾回收的时候会被清理掉的,这样一来ThreadLocalMap中使用这个ThreadLocal的key也会被清理掉。但是,value 是强引用,不会被清理,这样一来就会出现key为null的value。

      在ThreadLocalMap中,调用 set()、get()、remove()方法的时候,会清理掉key为null的记录。在ThreadLocal设置为null之后,ThreadLocalMap中存在key为null的值,那么就可能发生内存泄漏,只有手动调用remove()方法来避免,所以我们在使用完ThreadLocal变量时,尽量用threadLocal.remove()来清除,避免threadLocal=null的操作。remove方法是彻底地回收该对象,而通过threadLocal=null只是释放掉了ThreadLocal的引用,但是在ThreadLocalMap中却还存在其Entry,后续还需处理。

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