深入理解ThreadLocal

学习1个东西首先要知道为何要引入它,就是我们能用它来干甚么。所以我们先来看看ThreadLocal对我们到底有甚么用,然后再来看看它的实现原理。

ThreadLocal如果单纯从名字上来看像是“本地线程"这么个意思,只能说这个名字起的确切不太好,很容易让人产生误解,ThreadLocalVariable(线程本地变量)应当是个更好的名字。我们先看1下官方对ThreadLocal的描写:

该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物,由于访问某个变量(通过其 get 或 set 方法)的每一个线程都有自己的局部变量,它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal 实例通常是类中的 private static 字段,它们希望将状态与某1个线程(例如,用户 ID 或事务 ID)相干联。

我们从中摘出要点:

1、每一个线程都有自己的局部变量

    每一个线程都有1个独立于其他线程的上下文来保存这个变量,1个线程的本地变量对其他线程是不可见的(有条件,后面解释)

2、独立于变量的初始化副本

    ThreadLocal可以给1个初始值,而每一个线程都会取得这个初始化值的1个副本,这样才能保证不同的线程都有1份拷贝。

3、状态与某1个线程相干联

    ThreadLocal 不是用于解决同享变量的问题的,不是为了调和线程同步而存在,而是为了方便每一个线程处理自己的状态而引入的1个机制,理解这点对正确使用ThreadLocal相当重要。

我们先看1个简单的例子:

public class ThreadLocalTest {
//创建1个Integer型的线程本地变量
public static final ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<Integer>() {
@Override
protected Integer initialValue() {
return 0;
}
};
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[5];
for (int j = 0; j < 5; j++) {
threads[j] = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//获得当前线程的本地变量,然后累加5次
int num = local.get();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
num++;
}
//重新设置累加后的本地变量
local.set(num);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : "+ local.get());
}
}, "Thread-" + j);
}
for (Thread thread : threads) {
thread.start();
}
}
}

运行后结果:

Thread-0 : 5
Thread⑷ : 5
Thread⑵ : 5
Thread⑴ : 5
Thread⑶ : 5

我们看到,每一个线程累加后的结果都是5,各个线程处理自己的本地变量值,线程之间互不影响。

我们再来看1个例子:

public class ThreadLocalTest {
private static Index num = new Index();
//创建1个Index类型的本地变量
private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
@Override
protected Index initialValue() {
return num;
}
};

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[5];
for (int j = 0; j < 5; j++) {
threads[j] = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//取出当前线程的本地变量,并累加1000次
Index index = local.get();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
index.increase();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : "+ index.num);
}
}, "Thread-" + j);
}
for (Thread thread : threads) {
thread.start();
}
}
static class Index {
int num;
public void increase() {
num++;
}
}
}

履行后我们发现结果以下(每次运行还都不1样):

Thread-0 : 1390
Thread⑵ : 2390
Thread⑷ : 4390
Thread⑶ : 3491
Thread⑴ : 1390

这次为何线程本地变量又失效了呢?大家可以仔细视察上面代码自己先找1下缘由。

———————————————–低调的分割线——————————————-

让我们再来回味1下 “ThreadLocal可以给1个初始值,而每一个线程都会取得这个初始化值的1个副本” 这句话。“初始值的副本。。。”,貌似想出发点甚么。我们再来看1下上面代码中定义ThreadLocal的地方

private static Index num = new Index();
private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
@Override
protected Index initialValue() {
return num; // 注意这里,返回的是已定义好的对象num,而不是new Index()
}
};

上面代码中,我们通过覆盖initialValue函数来给我们的ThreadLocal提供初始值,每一个线程都会获得这个初始值的1个副本。而现在我们的初始值是1个定义好的1个对象,num是这个对象的援用.换句话说我们的初始值是1个援用。援用的副本和援用指向的不就是同1个对象吗?

如果我们想给每个线程都保存1个Index对象应当怎样办呢?那就是创建对象的副本而不是对象援用的副本:

private static ThreadLocal<Index> local = new ThreadLocal<Index>() {
@Override
protected Index initialValue() {
return new Index(); //注意这里
}
};

对象的拷贝图示:

  

现在我们应当能明白ThreadLocal本地变量的含义了吧。接下来我们就来看看ThreadLocal的源码,从内部来揭露它的神秘面纱。

ThreadLocal有1个内部类ThreadLocalMap,这个类的实现占了全部ThreadLocal类源码的1多半。这个ThreadLocalMap的作用非常关键,它就是线程真正保存线程自己本地变量的容器。每个线程都有自己的单独的1个ThreadLocalMap实例,其所有的本地变量都会保存到这1个map中。现在就让我们从ThreadLocal的get和set这两个最经常使用的方法开始分析:

public T get() {
//获得当前履行线程
Thread t = Thread.currentThread();
//获得当前线程的ThreadLocalMap实例
ThreadLocalMap map = getMap(t);
//如果map不为空,说明该线程已有了1个ThreadLocalMap实例
if (map != null) {
//map中保存线程的所有的线程本地变量,我们要去查找当前线程本地变量
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
//如果当前线程本地变量存在这个map中,则返回其对应的值
if (e != null)
return (T)e.value;
}
//如果map不存在或map中不存在当前线程本地变量,返回初始值
return setInitialValue();
}

强调1下:Thread对象都有1个ThreadLocalMap类型的属性threadLocals,这个属性是专门用于保存自己所有的线程本地变量的。这个属性在线程对象初始化的时候为null。所以对1个线程对象第1次使用线程本地变量的时候,需要对这个threadLocals属性进行初始化操作。注意要区分 “线程第1次使用本地线程变量”和“第1次使用某1个线程本地线程变量”。

getMap方法:

//直接返回线程对象的threadLocals属性
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}

setInitialValue方法:(看完后再回顾1下之前的那个例子)

private T setInitialValue() {
//获得初始化值,initialValue 就是我们之前覆盖的方法
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
//如果map不为空,将初始化值放入到当前线程的ThreadLocalMap对象中
if (map != null)
map.set(this, value);
else
//当前线程第1次使用本地线程变量,需要对map进行初始化工作
createMap(t, value);
//返回初始化值
return value;
}

我们再来看1下set方法

public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)
map.set(this, value);
//说明线程第1次使用线程本地变量(注意这里的第1次含义)
else
createMap(t, value);
}

ThradLocal还有1个remove方法,让我们来分析1下:

public void remove() {
//获得当前线程的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
//如果map不为空,则删除该本地变量的值
if (m != null)
m.remove(this);
}

到这里大家应当对ThreadLocal变量比较清晰了,至于ThradLocalMap的实现细节这里就不在说了。大家有兴趣可以自己去看ThreadLocal的源码。

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