Java併發編程之基礎篇（三） -- ThreadLocal

Java併發編程之基礎篇（三） – ThreadLocal

ThreadLocal介紹

上篇文章講到，如果想在多線程的環境下，實現共享可變資源的安全訪問，最好的方式是加鎖，也就是同一時刻只有一個線程在使用共享可變資源。如果我們有一種方式可以根除對變量的共享，那麼就可以實現不加鎖的情況下對變量進行安全訪問。

還拿之前搶衛生間坑位的例子舉例，如果只有一個衛生間坑位，五個人都想去衛生間的話，那麼就需要加鎖同步。如果給每個人都提供一個單獨的坑位，那麼就可以不加鎖了，因爲沒有爭搶的場景發生。

Java通過ThreadLocal來實現每個線程都擁有一份自己的共享變量的拷貝。大家可以把ThreadLocal<T>簡單的理解成Map<Thread,T>。ThreadLocal提供了get和set等方法，get方法總是返回當前線程調用set方法時設置的最新值。如果是第一次調用get方法，將會返回initialValue方法裏面的設置的初始值。

ThreadLocal使用場景

ThreadLocal通常用在防止全局變量的共享，或者單例實例的共享。舉個例子，連接數據庫的時候，首先要創建一個connection連接對象，但是這個connection對象不一定是線程安全的，如果所有線程方法都使用這個對象，進行數據庫的連接，就有可能會出問題。如果使用加鎖進行同步，那麼性能上會有問題，這個時候就可以通過ThreadLocal來幫忙，讓每個線程都持有一份connection對象。這樣就可以完美解決問題。

//設置初始值，通過initialValue()
private static ThreadLocal<Connection> connectionThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>() {
    public Connection initialValue() {
        return DriverManager.getConnection("DB_URL");
    }
};
    
//通過get()方法獲得ThreadLocal的值
public static Connection getConnection() {
    return connectionThreadLocal.get();
}

各位一定要注意 ThreadLocal的使用場景，千萬不要亂用。

原子性和可見性
在使用加鎖同步的方式來保證共享資源實現安全訪問的方案中，鎖除了保證資源的原子性以外還對可見性做了保證。

原子性：併發編程裏面的原子性，與數據庫裏面的原子性概念是一致，都是表示操作時不可分割的，必須在不打斷的情況下，一次執行完成。

可見性：在單線程的情況下，一個變量被修改之後，當再次需要使用的時候，肯定會讀取到正確的值，但是在多線程情況下，一個線程修改變量之後，其他線程並不能保證第一時間讀到這個變量。

如果要理解這個問題，需要對JVM的重排序有一定的理解。所謂的重排序就是編譯器會對你寫的代碼進行順序調整，以達到優化運行效率的目的。

對於可見性問題，可以通過如下代碼示例進行說明

public class NoVisibility {
    //private static volatile boolean ready = false;
     private static boolean ready = false;
    private static int number = 0;

    private static class ReaderThread extends Thread {
        public void run() {
            while (!ready) ;
            System.out.println(number);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ReaderThread().start();
        Thread.sleep(1000);
        number = 34;
        ready = true;
    }
}

這段會啓動一個讀線程，當ready爲true時會打印出number的值。然後主線程會修改ready和number的值。如果該段代碼是在client模式下運行，你很可能會看到正確的結果34，但是如果是在server模式下運行，那麼程序可能進入死循環，因爲讀線程看不到主線程對ready的修改。

如果是本地開發環境，JVM一般都是client模式，可以在你的IDE裏面設置JVM的模式爲server模式，運行該段代碼。

如果想讓讀線程及時發現ready變量的修改，可以使用volatile關鍵字對變量ready進行修飾，可以保證所有線程第一時間看到該變量。

對於原子性，Java提供了atomic包，比如對於上篇文章提到的任務計數器示例，我們可以不使用synchronized，而使用AtomicInteger來達到同樣的效果。

public class Task implements Runnable {
    //使用AtomicInteger初始化
    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public void  increase(){
        //如下方法保證原子遞增
        count.incrementAndGet();
    }
    @Override
    public void run() {
        increase();
    }
}

AtomicInteger可以保證自增操作是原子性的。

注意
並不是有了原子性及可見性操作，就可以放棄使用鎖同步。原子性及可見性並不能保證線程安全，只有在一些特定的場景下才能夠達到避免使用鎖同步的效果，上面的樣例只是爲了說明Java提供的Atom和volatile功能，而特意設計的樣例場景。如果真實生產中想使用原子性及可見性替代鎖同步時，要認真分析。