ThreadLocal 使用搞明白

我最初使用ThreadLocal是copy Myfaces中的源码,为了保存Httprequest对象,现在想一想,总是听说ThreadLocal是解决并发安全性的好方法,这其中有个道理还是没想清楚:

ThreadLocal只是维护资源副本,因此对本线程资源的改变是不会对其他线程起作用的。

那么我们为什么用它呢,最常用的情况是维护Singleton对象,即一个线程内所有对此对象的访问都可以做到是一个对象,这与类静态变量维护的Sington对象是不同的。

可参考:Hibernate的SessionFactory,IBatis的SqlClient

参见文章:

ThreadLocal如何解决并发安全性 http://www.java3z.com/cwbwebhome/article/article8/81086.html

    前面我们介绍了Java当中多个线程抢占一个共享资源的问题。但不论是同步还是重入锁,都不能实实在在的解决资源紧缺的情况,这些方案只是靠制定规则来约束线程的行为,让它们不再拼命的争抢,而不是真正从实质上解决他们对资源的需求。
在JDK 1.2当中,引入了java.lang.ThreadLocal。它为我们提供了一种全新的思路来解决线程并发的问题。但是他的名字难免让我们望文生义:本地线程?
什么是本地线程?
本地线程开玩笑的说:不要迷恋哥,哥只是个传说。
   其实ThreadLocal并非Thread at Local,而是LocalVariable in a Thread。
根据WikiPedia上的介绍,ThreadLocal其实是源于一项多线程技术,叫做Thread Local Storage,即线程本地存储技术。不仅仅是Java,在C++、C#、.NET、Python、Ruby、Perl等开发平台上,该技术都已经得以实现。

   当使用ThreadLocal维护变量时,它会为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本。也就是说,他从根本上解决的是资源数量的问题,从而使得每个线程持有相对独立的资源。这样,当多个线程进行工作的时候,它们不需要纠结于同步的问题,于是性能便大大提升。但资源的扩张带来的是更多的空间消耗,ThreadLocal就是这样一种利用空间来换取时间的解决方案。
说了这么多,来看看如何正确使用ThreadLocal。
通过研究JDK文档,我们知道,ThreadLocal中有几个重要的方法:get()、set()、remove()、initailValue(),对应的含义分别是:
返回此线程局部变量的当前线程副本中的值、将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值、移除此线程局部变量当前线程的值、返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。
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还记得我们在第三篇的上半节引出的那个例子么?几个线程修改同一个Student对象中的age属性。为了保证这几个线程能够工作正常,我们需要对Student的对象进行同步。
下面我们对这个程序进行一点小小的改造,我们通过继承Thread来实现多线程:

/**
*
* @author x-spirit
*/
public class ThreadDemo3 extends Thread{
private ThreadLocal<Student> stuLocal = new ThreadLocal<Student>();
public ThreadDemo3(Student stu){
        stuLocal.set(stu);
    }
public static void main(String[] args) {
        Student stu = new Student();
        ThreadDemo3 td31 = new ThreadDemo3(stu);
        ThreadDemo3 td32 = new ThreadDemo3(stu);
        ThreadDemo3 td33 = new ThreadDemo3(stu);
        td31.start();
        td32.start();
        td33.start();
    }
    @Override
public void run() {
        accessStudent();
    }
public void accessStudent() {
        String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(currentThreadName + " is running!");
        Random random = new Random();
int age = random.nextInt(100);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age);
        Student student = stuLocal.get();
        student.setAge(age);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " first  read age is:" + student.getAge());
try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge());
    }
}

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貌似这个程序没什么问题。但是运行结果却显示:这个程序中的3个线程会抛出3个空指针异常。读者一定感到很困惑。我明明在构造器当中把Student对象set进了ThreadLocal里面阿,为什么run起来之后居然在调用stuLocal.get()方法的时候得到的是NULL呢?
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带着这个疑问,让我们深入到JDK的代码当中,去一看究竟。
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原来,在ThreadLocal中,有一个内部类叫做ThreadLocalMap。这个ThreadLocalMap并非java.util.Map的一个实现,而是利用java.lang.ref.WeakReference实现的一个键-值对应的数据结构其中,key是ThreadLocal类型,而value是Object类型,我们可以简单的视为HashMap<ThreadLocal,Object>。
而在每一个Thread对象中,都有一个ThreadLocalMap的引用,即Thread.threadLocals。而ThreadLocal的set方法就是首先尝试从当前线程中取得ThreadLocalMap(以下简称Map)对象。如果取到的不为null,则以ThreadLocal对象自身为key,来取Map中的value。如果取不到Map对象,则首先为当前线程创建一个ThreadLocalMap,然后以ThreadLocal对象自身为key,将传入的value放入该Map中。

    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
    }   
public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
            map.set(this, value);
else
            createMap(t, value);
    }

而get方法则是首先得到当前线程的ThreadLocalMap对象,然后,根据ThreadLocal对象自身,取出相应的value。当然,如果在当前线程中取不到ThreadLocalMap对象,则尝试为当前线程创建ThreadLocalMap对象,并以ThreadLocal对象自身为key,把initialValue()方法产生的对象作为value放入新创建的ThreadLocalMap中。

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();
    }
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;
    }
protected T initialValue() {
return null;
    }

这样,我们就明白上面的问题出在哪里:我们在main方法执行期间,试图在调用ThreadDemo3的构造器时向ThreadLocal置入Student对象,而此时,以ThreadLocal对象为key,Student对象为value的Map是被放入当前的活动线程内的。也就是Main线程。而当我们的3个ThreadDemo3线程运行起来以后,调用get()方法,都是试图从当前的活动线程中取得ThreadLocalMap对象,但当前的活动线程显然已经不是Main线程了,于是,程序最终执行了ThreadLocal原生的initialValue()方法,返回了null。
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讲到这里,我想不少朋友一定已经看出来了:ThreadLocal的initialValue()方法是需要被覆盖的。
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于是,ThreadLocal的正确使用方法是:将ThreadLocal以内部类的形式进行继承,并覆盖原来的initialValue()方法,在这里产生可供线程拥有的本地变量值。
这样,我们就有了下面的正确例程:

/**
*
* @author x-spirit
*/
public class ThreadDemo3 extends Thread{
private ThreadLocal<Student> stuLocal = new ThreadLocal<Student>(){
        @Override
protected Student initialValue() {
return new Student();
        }
    };
public ThreadDemo3(){
    }
public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo3 td31 = new ThreadDemo3();
        ThreadDemo3 td32 = new ThreadDemo3();
        ThreadDemo3 td33 = new ThreadDemo3();
        td31.start();
        td32.start();
        td33.start();
    }
    @Override
public void run() {
        accessStudent();
    }
public void accessStudent() {
        String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(currentThreadName + " is running!");
        Random random = new Random();
int age = random.nextInt(100);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age);
        Student student = stuLocal.get();
        student.setAge(age);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " first  read age is:" + student.getAge());
try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge());
    }
}

可见,要正确使用ThreadLocal,必须注意以下几点:
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1. 总是对ThreadLocal中的initialValue()方法进行覆盖。
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2. 当使用set()或get()方法时牢记这两个方法是对当前活动线程中的ThreadLocalMap进行操作,一定要认清哪个是当前活动线程!
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3. 适当的使用泛型,可以减少不必要的类型转换以及可能由此产生的问题。
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运行该程序,我们发现:程序的执行过程只需要5秒,而如果采用同步的方法,程序的执行结果相同,但执行时间需要15秒。以前是多个线程为了争取一个资源,不得不在同步规则的制约下互相谦让,浪费了一些时间。
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现在,采用ThreadLocal机制以后,可用的资源多了,你有我有全都有,所以,每个线程都可以毫无顾忌的工作,自然就提高了并发性,线程安全也得以保证。
当今很多流行的开源框架也采用ThreadLocal机制来解决线程的并发问题。比如大名鼎鼎的 Struts 2.x 和 Spring 等。
把ThreadLocal这样的话题放在我们的同步机制探讨中似乎显得不是很合适。但是ThreadLocal的确为我们解决多线程的并发问题带来了全新的思路。它为每个线程创建一个独立的资源副本,从而将多个线程中的数据隔离开来,避免了同步所产生的性能问题,是一种“以空间换时间”的解决方案。
但这并不是说ThreadLocal就是包治百病的万能药了。如果实际的情况不允许我们为每个线程分配一个本地资源副本的话,同步还是非常有意义的。


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