threadlocal原理及常用應用場景

想必很多朋友對ThreadLocal並不陌生，今天我們就來一起探討下ThreadLocal的使用方法和實現原理。首先，本文先談一下對ThreadLocal的理解，然後根據ThreadLocal類的源碼分析了其實現原理和使用需要注意的地方，最後給出了兩個應用場景。

一.對ThreadLocal的理解

ThreadLocal，很多地方叫做線程本地變量，也有些地方叫做線程本地存儲，其實意思差不多。可能很多朋友都知道ThreadLocal爲變量在每個線程中都創建了一個副本，那麼每個線程可以訪問自己內部的副本變量。

這句話從字面上看起來很容易理解，但是真正理解並不是那麼容易。

我們還是先來看一個例子：

Java代碼  

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();  

 }  

}

假設有這樣一個數據庫鏈接管理類，這段代碼在單線程中使用是沒有任何問題的，但是如果在多線程中使用呢？很顯然，在多線程中使用會存在線程安全問題：第一，這裏面的2個方法都沒有進行同步，很可能在openConnection方法中會多次創建connect；第二，由於connect是共享變量，那麼必然在調用connect的地方需要使用到同步來保障線程安全，因爲很可能一個線程在使用connect進行數據庫操作，而另外一個線程調用closeConnection關閉鏈接。

所以出於線程安全的考慮，必須將這段代碼的兩個方法進行同步處理，並且在調用connect的地方需要進行同步處理。

這樣將會大大影響程序執行效率，因爲一個線程在使用connect進行數據庫操作的時候，其他線程只有等待。

那麼大家來仔細分析一下這個問題，這地方到底需不需要將connect變量進行共享？事實上，是不需要的。假如每個線程中都有一個connect變量，各個線程之間對connect變量的訪問實際上是沒有依賴關係的，即一個線程不需要關心其他線程是否對這個connect進行了修改的。

到這裏，可能會有朋友想到，既然不需要在線程之間共享這個變量，可以直接這樣處理，在每個需要使用數據庫連接的方法中具體使用時才創建數據庫鏈接，然後在方法調用完畢再釋放這個連接。比如下面這樣：

Java代碼  

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進行操作  

 connectionManager.closeConnection();  

 }  

}

這樣處理確實也沒有任何問題，由於每次都是在方法內部創建的連接，那麼線程之間自然不存在線程安全問題。但是這樣會有一個致命的影響：導致服務器壓力非常大，並且嚴重影響程序執行性能。由於在方法中需要頻繁地開啓和關閉數據庫連接，這樣不僅嚴重影響程序執行效率，還可能導致服務器壓力巨大。

那麼這種情況下使用ThreadLocal是再適合不過的了，因爲ThreadLocal在每個線程中對該變量會創建一個副本，即每個線程內部都會有一個該變量，且在線程內部任何地方都可以使用，線程之間互不影響，這樣一來就不存在線程安全問題，也不會嚴重影響程序執行性能。

但是要注意，雖然ThreadLocal能夠解決上面說的問題，但是由於在每個線程中都創建了副本，所以要考慮它對資源的消耗，比如內存的佔用會比不使用ThreadLocal要大。

二.深入解析ThreadLocal類

在上面談到了對ThreadLocal的一些理解，那我們下面來看一下具體ThreadLocal是如何實現的。

先了解一下ThreadLocal類提供的幾個方法：

Java代碼  

public T get() { }  

public void set(T value) { }  

public void remove() { }  

protected T initialValue() { }

get()方法是用來獲取ThreadLocal在當前線程中保存的變量副本，set()用來設置當前線程中變量的副本，remove()用來移除當前線程中變量的副本，initialValue()是一個protected方法，一般是用來在使用時進行重寫的，它是一個延遲加載方法，下面會詳細說明。

首先我們來看一下ThreadLocal類是如何爲每個線程創建一個變量的副本的。

先看下get方法的實現：

第一句是取得當前線程，然後通過getMap(t)方法獲取到一個map，map的類型爲ThreadLocalMap。然後接着下面獲取到<key,value>鍵值對，注意這裏獲取鍵值對傳進去的是 this，而不是當前線程t。

如果獲取成功，則返回value值。

如果map爲空，則調用setInitialValue方法返回value。

我們上面的每一句來仔細分析：

首先看一下getMap方法中做了什麼：

可能大家沒有想到的是，在getMap中，是調用當期線程t，返回當前線程t中的一個成員變量threadLocals。

那麼我們繼續取Thread類中取看一下成員變量threadLocals是什麼：

實際上就是一個ThreadLocalMap，這個類型是ThreadLocal類的一個內部類，我們繼續取看ThreadLocalMap的實現：

可以看到ThreadLocalMap的Entry繼承了WeakReference，並且使用ThreadLocal作爲鍵值。

然後再繼續看setInitialValue方法的具體實現：

很容易瞭解，就是如果map不爲空，就設置鍵值對，爲空，再創建Map，看一下createMap的實現：

至此，可能大部分朋友已經明白了ThreadLocal是如何爲每個線程創建變量的副本的：

首先，在每個線程Thread內部有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap類型的成員變量threadLocals，這個threadLocals就是用來存儲實際的變量副本的，鍵值爲當前ThreadLocal變量，value爲變量副本（即T類型的變量）。

初始時，在Thread裏面，threadLocals爲空，當通過ThreadLocal變量調用get()方法或者set()方法，就會對Thread類中的threadLocals進行初始化，並且以當前ThreadLocal變量爲鍵值，以ThreadLocal要保存的副本變量爲value，存到threadLocals。

然後在當前線程裏面，如果要使用副本變量，就可以通過get方法在threadLocals裏面查找。

下面通過一個例子來證明通過ThreadLocal能達到在每個線程中創建變量副本的效果：

Java代碼  

package com.bijian.study;  

public class Test {  

    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 test = new Test();  

        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());  

    }  

}

運行結果：

Text代碼  

1  

main  

11  

Thread-0  

1  

main

從這段代碼的輸出結果可以看出，在main線程中和thread1線程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一樣。最後一次在main線程再次打印副本值是爲了證明在main線程中和thread1線程中的副本值確實是不同的。

總結一下：

1）實際的通過ThreadLocal創建的副本是存儲在每個線程自己的threadLocals中的；

2）爲何threadLocals的類型ThreadLocalMap的鍵值爲ThreadLocal對象，因爲每個線程中可有多個threadLocal變量，就像上面代碼中的longLocal和stringLocal；

3）在進行get之前，必須先set，否則會報空指針異常；

如果想在get之前不需要調用set就能正常訪問的話，必須重寫initialValue()方法。

因爲在上面的代碼分析過程中，我們發現如果沒有先set的話，即在map中查找不到對應的存儲，則會通過調用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一個語句是T value = initialValue()，而默認情況下，initialValue方法返回的是null。

看下面這個例子：

Java代碼  

package com.bijian.study;  

public class Test02 {  

    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 Test02 test = new Test02();  

        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());  

    }  

}

運行結果：

Text代碼  

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException  

    at com.bijian.study.Test02.getLong(Test02.java:14)  

    at com.bijian.study.Test02.main(Test02.java:24)

在main線程中，沒有先set，直接get的話，運行時會報空指針異常。

但是如果改成下面這段代碼，即重寫了initialValue方法：

Java代碼  

package com.bijian.study;  

public class Test03 {  

    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 Test03 test = new Test03();  

        //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());  

    }  

}

運行結果：

Text代碼  

1  

main  

8  

Thread-0  

1  

main

就可以直接不用先set而直接調用get了。

三.ThreadLocal的應用場景

最常見的ThreadLocal使用場景爲用來解決數據庫連接、Session管理等。如：

數據庫連接：

Java代碼  

private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {  

    public Connection initialValue() {  

        return DriverManager.getConnection(DB_URL);  

    }  

};  

public static Connection getConnection() {  

    return connectionHolder.get();  

}

Session管理：

Java代碼  

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;  

}