ThreadLocal 那点事儿

ThreadLocal,直译为“线程本地”或“本地线程”,如果你真的这么认为,那就错了!其实,它就是一个容器,用于存放线程的局部变量,我认为应该叫做 ThreadLocalVariable(线程局部变量)才对,真不理解为什么当初 Sun 公司的工程师这样命名。

早在 JDK 1.2 的时代,java.lang.ThreadLocal 就诞生了,它是为了解决多线程并发问题而设计的,只不过设计得有些难用,所以至今没有得到广泛使用。其实它还是挺有用的,不相信的话,我们一起来看看这个例子吧。

一个序列号生成器的程序,可能同时会有多个线程并发访问它,要保证每个线程得到的序列号都是自增的,而不能相互干扰。

先定义一个接口:

public interface Sequence {

    int getNumber();
}

每次调用 getNumber() 方法可获取一个序列号,下次再调用时,序列号会自增。

再做一个线程类:

public class ClientThread extends Thread {

    private Sequence sequence;

    public ClientThread(Sequence sequence) {
        this.sequence = sequence;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " => " + sequence.getNumber());
        }
    }
}

在线程中连续输出三次线程名与其对应的序列号。

我们先不用 ThreadLocal,来做一个实现类吧。

public class SequenceA implements Sequence {

    private static int number = 0;

    public int getNumber() {
        number = number + 1;
        return number;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Sequence sequence = new SequenceA();

        ClientThread thread1 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread2 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread3 = new ClientThread(sequence);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

序列号初始值是0,在 main() 方法中模拟了三个线程,运行后结果如下:

Thread-0 => 1
Thread-0 => 2
Thread-0 => 3
Thread-2 => 4
Thread-2 => 5
Thread-2 => 6
Thread-1 => 7
Thread-1 => 8
Thread-1 => 9

由于线程启动顺序是随机的,所以并不是0、1、2这样的顺序,这个好理解。为什么当 Thread-0 输出了1、2、3之后,而 Thread-2 却输出了4、5、6呢?线程之间竟然共享了 static 变量!这就是所谓的“非线程安全”问题了。

那么如何来保证“线程安全”呢?对应于这个案例,就是说不同的线程可拥有自己的 static 变量,如何实现呢?下面看看另外一个实现吧。

public class SequenceB implements Sequence {

    private static ThreadLocal<Integer> numberContainer = new ThreadLocal<Integer>() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };

    public int getNumber() {
        numberContainer.set(numberContainer.get() + 1);
        return numberContainer.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Sequence sequence = new SequenceB();

        ClientThread thread1 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread2 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread3 = new ClientThread(sequence);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

通过 ThreadLocal 封装了一个 Integer 类型的 numberContainer 静态成员变量,并且初始值是0。再看 getNumber() 方法,首先从 numberContainer 中 get 出当前的值,加1,随后 set 到 numberContainer 中,最后将 numberContainer 中 get 出当前的值并返回。

是不是很恶心?但是很强大!确实稍微饶了一下,我们不妨把 ThreadLocal 看成是一个容器,这样理解就简单了。所以,这里故意用 Container 这个单词作为后缀来命名 ThreadLocal 变量。

运行结果如何呢?看看吧。

Thread-0 => 1
Thread-0 => 2
Thread-0 => 3
Thread-2 => 1
Thread-2 => 2
Thread-2 => 3
Thread-1 => 1
Thread-1 => 2
Thread-1 => 3

每个线程相互独立了,同样是 static 变量,对于不同的线程而言,它没有被共享,而是每个线程各一份,这样也就保证了线程安全。 也就是说,TheadLocal 为每一个线程提供了一个独立的副本!

搞清楚 ThreadLocal 的原理之后,有必要总结一下 ThreadLocal 的 API,其实很简单。

  1. public void set(T value):将值放入线程局部变量中
  2. public T get():从线程局部变量中获取值
  3. public void remove():从线程局部变量中移除值(有助于 JVM 垃圾回收)
  4. protected T initialValue():返回线程局部变量中的初始值(默认为 null)

为什么 initialValue() 方法是 protected 的呢?就是为了提醒程序员们,这个方法是要你们来实现的,请给这个线程局部变量一个初始值吧。

了解了原理与这些 API,其实想想 ThreadLocal 里面不就是封装了一个 Map 吗?自己都可以写一个 ThreadLocal 了,尝试一下吧。

public class MyThreadLocal<T> {

    private Map<Thread, T> container = Collections.synchronizedMap(new HashMap<Thread, T>());

    public void set(T value) {
        container.put(Thread.currentThread(), value);
    }

    public T get() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        T value = container.get(thread);
        if (value == null && !container.containsKey(thread)) {
            value = initialValue();
            container.put(thread, value);
        }
        return value;
    }

    public void remove() {
        container.remove(Thread.currentThread());
    }

    protected T initialValue() {
        return null;
    }
}

以上完全山寨了一个 ThreadLocal,其中中定义了一个同步 Map(为什么要这样?请读者自行思考),代码应该非常容易读懂。

下面用这 MyThreadLocal 再来实现一把看看。

public class SequenceC implements Sequence {

    private static MyThreadLocal<Integer> numberContainer = new MyThreadLocal<Integer>() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };

    public int getNumber() {
        numberContainer.set(numberContainer.get() + 1);
        return numberContainer.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Sequence sequence = new SequenceC();

        ClientThread thread1 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread2 = new ClientThread(sequence);
        ClientThread thread3 = new ClientThread(sequence);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

以上代码其实就是将 ThreadLocal 替换成了 MyThreadLocal,仅此而已,运行效果和之前的一样,也是正确的。

其实 ThreadLocal 可以单独成为一种设计模式,就看你怎么看了。

ThreadLocal 具体有哪些使用案例呢?

我想首先要说的就是:通过 ThreadLocal 存放 JDBC Connection,以达到事务控制的能力。

如何实现呢?下回分解!

ThreadLocal 那点事儿(续集)

注意:当您在一个类中使用了 static 成员变量的时候,一定要多问问自己,这个 static 成员变量需要考虑“线程安全”吗?(也就是说,多个线程需要独享自己的 static 成员变量吗?)如果需要考虑,那就请用 ThreadLocal 吧!



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1 条评论

  1. 朱小厮 说道:

    ThreadLocal并不是上面这种MyThreadLocal这种方式实现的,试想一下ThreadLocal是规避锁的一种方式,你的这里实现还用了synchorizedMap去实现,这岂不是本末倒置,所以这篇文章误导读者,建议修改或者删除

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