Java多线程——线程封闭

线程封闭：当访问共享的可变数据时，通常需要同步。一种避免同步的方式就是不共享数据。如果仅在单线程内访问数据，就不需要同步，这种技术称为线程封闭（thread  confinement）

　　线程封闭技术一个常见的应用就是JDBC的Connection对象，JDBC规范并没有要求Connection对象必须是线程安全的，在服务器应用程序中，线程从连接池获取一个Connection对象，使用完之后将对象返还给连接池。下面介绍几种线程封闭技术：

　　1、Ad-hoc线程封闭

　　Ad-hoc线程封闭是指，维护线程的封闭性的职责完全由程序实现承担，是非常脆弱的，因此在程序中尽量少使用，一般使用更强的线程封闭技术，比如栈封闭或者ThreadLocal类。

2、栈封闭　　

　　栈封闭是线程封闭的一种特列，在栈封闭中，只能通过局部变量才能访问对象。局部变量的固有属性之一就是封闭在执行栈中，其他线程无法访问这个栈，栈封闭也称为线程内部使用或者线程局部使用。简单的说就是局部变量。多个线程访问一个方法，此方法中的局部变量都会被拷贝一分儿到线程栈中。所以局部变量是不被多个线程所共享的，也就不会出现并发问题。所以能用局部变量就别用全局的变量，全局变量容易引起并发问题。

　　比如下面的例子：

public class Snippet {
    public int loadTheArk(Collection<Animal> candidates) {
        SortedSet<Animal> animals;
        int numPairs = 0;
        Animal candidate = null;
    
        // animals被封闭在方法中，不要使它们逸出！
        animals = new TreeSet<Animal>(new SpeciesGenderComparator());
        animals.addAll(candidates);
        for (Animal a : animals) {
            if (candidate == null || !candidate.isPotentialMate(a))
                candidate = a;
            else {
                ark.load(new AnimalPair(candidate, a));
                ++numPairs;
                candidate = null;
            }
        }
        return numPairs;
    }
}

　　在loadTheArk中实例化一个TreeSet对象，并将该对象的一个引用保存到animals中。此时，只有一个引用指向集合animals，这个引用被封闭到局部变量中，因此也被封闭到局部变量中。然而，如果发布了对集合animals（或者该对象中的任何内部数据）的引用，那么封闭性将被破坏，并导致对象animals的逸出。

3、ThreadLocal类

　　维持线程封闭性的一种更加规范方法是使用ThreadLocal类，这个类能使线程中某个值与保存值的对象关联起来。ThreadLocal类提供了get和set等访问接口或者方法，这些方法为每个使用该变量的线程都存在一份独立的副本，因此get总是放回当前执行线程在调用set设置的最新值。看一下下面代码例子：

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);
    }
}

　　通过调用ConnectionManager.getConnection()方法，每个线程获取到的，都是自己独立拥有的一个的Connection对象副本，第一次获取时，是通过initialValue()方法的返回值来设置值的。通过ConnectionManager.setConnection(Connection conn)方法设置的Connection对象，也只会和当前线程绑定。这样就实现了Connection对象在多个线程中的完全隔离。在Spring容器中管理多线程环境下的Connection对象时，采用的思路和以上代码非常相似。

　　每个线程是怎么和Connection对象副本绑定的？这个对象副本保存在哪里。当某个线程初次调用ThreadLocal类的get方法时，就会调用initialValue来获取初始值，从概念上看，我们可以将ThreadLocal<T>视为包含了Map<thread, T>对象，其中保存了特定于该线程的值，但是ThreadLocal的实现并非如此，这样只是为了我们方便理解而已。

　　下面我们来分析一下ThreadLocal类的源码。ThreadLocal类的方法很简单，只有四个,分别为set，get，remove, initialValue,从字面上我们也能理解这些方法的作用。

　　public T get()：返回当前线程所对应的局部变量。

　　public void set(T arg0)：设置当前线程局部变量的值。　　

　　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。注意，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 T initialValue()： 对当线程局部变量进行初始化，并返回该初始值。是protected 属性，显然是让子类进行对其覆盖重写的，只有第一次调用set和get方法时才调用。　　

　　下面我们对这四个方法的源码进行分析，看看ThreadLocal类是如何实现这种“为每个线程提供不同的变量拷贝”。

3.1 set方法

　　以下是set方法的源码

/**
     * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
     * to the specified value.  Most subclasses will have no need to 
     * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
     * method to set the values of thread-locals.
     *
     * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
     *        this thread-local.
     */
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

　　从set方法中可以看到，首先获取当前线程：Thread arg1 = Thread.currentThread();

　　再获取当前线程的ThreadLocalMap：ThreadLocal.ThreadLocalMap arg2 = this.getMap(arg1);

　　判断ThreadLocalMap是否为空，不为空，则以键值对的形式设置值，key为this,value就是局部变量的副本，this是当前线程持有的ThreadLocal类实例化对象。

　　假如为空，则通过createMap方法创建。

　　我们看下getMap和createMap方法的源码：

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

　　从代码上已经写的非常清楚，每个线程都有自己的局部变量的副本，该副本是存在ThreadLocalMap 中，其中键值就是ThreadLocal类实例化对象。也就是说每个线程都拥有自己的ThreadLocalMap，ThreadLocalMap保存的就是局部变量副本。我们看一下java.lang.Thread源码。

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

3.2 get方法

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

　　从代码上看，前两步和set方法是一个样的，分别获取当前线程和当前线程的ThreadLocalMap，第三步判断ThreadLocalMap是否为空，不为空根据this键值获取value，为空调用setInitialValue()方法。

　　以下是setInitialValue方法代码：

private T setInitialValue() {
        Object arg0 = this.initialValue();
        Thread arg1 = Thread.currentThread();
        ThreadLocal.ThreadLocalMap arg2 = this.getMap(arg1);
        if (arg2 != null) {
            arg2.set(this, arg0);
        } else {
            this.createMap(arg1, arg0);
        }
        return arg0;
}

　　在setInitialValue里调用了initialValue()方法，也就是子类要重写覆盖的方法，对应上面的例子的代码是：

protected Connection initialValue() {  
            Connection conn = null;  
            try {  
                conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username", "password");
            } catch (SQLException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
            return conn;  
}

　　然后获取当前线程和当前线程的ThreadLocalMap，ThreadLocalMap为空则调用createMap，否则调用set方法。

3.3 总结

　　ThreadLocalMap对象是以this指向的ThreadLocal对象为键进行查找的，这当然和前面set()方法的代码是相呼应的。

　　进一步地，我们可以创建不同的ThreadLocal实例来实现多个变量在不同线程间的访问隔离，为什么可以这么做？因为不同的ThreadLocal对象作为不同键，当然也可以在线程的ThreadLocalMap对象中设置不同的值了。通过ThreadLocal对象，在多线程中共享一个值和多个值的区别，就像你在一个HashMap对象中存储一个键值对和多个键值对一样，仅此而已。

　　也就说，每个线程都有一个ThreadLocalMap，该线程访问到某个局部变量，且该局部变量是用ThreadLocal类进行声明时，该线程就会new ThreadLocal(),然后将该ThreadLocal类的对象作为key值，所对应的局部变量作为value值保存到ThreadLocalMap中。当线程访问多个ThreadLocal类进行声明局部变量时，在ThreadLocalMap中就有多个键值对。而每个线程都有自己的ThreadLocalMap，从而达到隔离的目的了。

　　当某个线程终止后，该线程里的ThreadLocalMap也被回收了，所以完全不用担心内存泄漏的问题。

　　假如多线程访问的对象实例是单例的，或者说只能创建一个，那就老老实实的使用同步机制(synchronized)了.