你的位置:首页 > Java教程

[Java教程]ThreadLocal类的实现用法


ThreadLocal是什么呢?其实ThreadLocal并非是一个线程的本地实现版本,它并不是一个Thread,而是threadlocalvariable(线程局部变量)。也许把它命名为ThreadLocalVar更加合适。线程局部变量(ThreadLocal)其实的功用非常简单,就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本,是Java中一种较为特殊的线程绑定机制,是每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会和其它线程的副本冲突。
从线程的角度看,每个线程都保持一个对其线程局部变量副本的隐式引用,只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的;在线程消失之后,其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收(除非存在对这些副本的其他引用)。
通过ThreadLocal存取的数据,总是与当前线程相关,也就是说,JVM 为每个运行的线程,绑定了私有的本地实例存取空间,从而为多线程环境常出现的并发访问问题提供了一种隔离机制。
ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢?其实实现的思路很简单,在ThreadLocal类中有一个Map,用于存储每一个线程的变量的副本。
概括起来说,对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单,只有4个方法,我们先来了解一下:

  • void set(Object value)设置当前线程的线程局部变量的值。
  • public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
  • public void remove()将当前线程局部变量的值删除,目的是为了减少内存的占用,该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是,当线程结束后,对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收,所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作,但它可以加快内存回收的速度。
  • protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值,该方法是一个protected的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法,在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行,并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

模拟实现ThreadLocal代码:

 1 public class ThreadShareData { 2   static int num = 0; 3    4    5   public static void main(String[] args) { 6     Map<Thread, Integer> map = new HashMap<Thread, Integer>(); 7     for (int i = 0; i < 2; i++) { 8       new Thread(new Runnable() { 9         @Override10         public void run() {11           int num = new Random().nextInt();12           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+" get num: "+num);13           new A().get();14           new B().get();15         }16       }).start();17     }18   }19   20   static class A{21     public void get(){22       System.out.println("A: "+Thread.currentThread().getName() +"get num: "+num);23     }24   }25   26   static class B{27     public void get(){28       System.out.println("A: "+Thread.currentThread().getName() +"get num: "+num);29     }30   }31   32 }

ThreadLocal的经典用法:

 1 public class ThreadLocalShareData2 { 2   static ThreadLocal<People> threadLocal = new ThreadLocal<People>(); 3   public static void main(String[] args) { 4     for (int i = 0; i < 2; i++) { 5       new Thread(new Runnable() { 6         @Override 7         public void run() { 8           int data = new Random().nextInt(); 9           People people = new People().getInstance();10           people.setName("name"+data);11           people.setAge(data);12           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" set name "+people.getName()+" set age "+people.getAge());13           new A().get();14           new B().get();15         }16       }).start();17     }18   }19   20   static class A{21     public void get(){22       System.out.println("A: "+Thread.currentThread().getName() +"get name "+new People().getInstance().getName()+" get age "+new People().getInstance().getAge());23     }24   }25   static class B{26     public void get(){27       System.out.println("B: "+Thread.currentThread().getName() +"get name "+new People().getInstance().getName()+" get age "+new People().getInstance().getAge());28     }29   }30   static class People{31     private People(){32       33     }34     public People getInstance(){35       People people = threadLocal.get();36       if(people == null){37         people = new People();38         threadLocal.set(people);39       }40       return people;41     }42     private int age;43     private String name;44     public int getAge() {45       return age;46     }47     public String getName() {48       return name;49     }50     public void setAge(int age) {51       this.age = age;52     }53     public void setName(String name) {54       this.name = name;55     }56   }57 }

将ThreadLocal仿单例模式进行实现,更加面向对象。

在ThreadLocal类中有一个Map,用于存储每一个线程的变量副本,Map中元素的键为线程对象,而值对应线程的变量副本。

 1 public class TestNum {  2   // ①通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法,指定初始值  3   private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {  4     public Integer initialValue() {  5       return 0;  6     }  7   };  8   9   // ②获取下一个序列值 10   public int getNextNum() { 11     seqNum.set(seqNum.get() + 1); 12     return seqNum.get(); 13   } 14  15   public static void main(String[] args) { 16     TestNum sn = new TestNum(); 17     // ③ 3个线程共享sn,各自产生序列号 18     TestClient t1 = new TestClient(sn); 19     TestClient t2 = new TestClient(sn); 20     TestClient t3 = new TestClient(sn); 21     t1.start(); 22     t2.start(); 23     t3.start(); 24   } 25  26   private static class TestClient extends Thread { 27     private TestNum sn; 28  29     public TestClient(TestNum sn) { 30       this.sn = sn; 31     } 32  33     public void run() { 34       for (int i = 0; i < 3; i++) { 35         // ④每个线程打出3个序列值 36         System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> sn[" 37             + sn.getNextNum() + "]"); 38       } 39     } 40   } 41 } 

我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个TestNum实例,但它们并没有发生相互干扰的情况,而是各自产生独立的序列号,这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。

Thread同步机制的比较:

ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢?ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

  在同步机制中,通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的,使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写,什么时候需要锁定某个对象,什么时候释放对象锁等繁杂的问题,程序设计和编写难度相对较大。

  而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本,从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象,在编写多线程代码时,可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

  由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象,低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象,需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题,在一定程度地简化ThreadLocal的使用,代码清单 9 2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。

  概括起来说,对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。

  Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题我们知道在一般情况下,只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享,在Spring中,绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean(如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等)中非线程安全状态采用ThreadLocal进行处理,让它们也成为线程安全的状态,因为有状态的Bean就可以在多线程中共享了。

  一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次,在不同的层中编写对应的逻辑,下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下,从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程,如图9‑2所示:

通通透透理解ThreadLocal

  同一线程贯通三层这样你就可以根据需要,将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放,在同一次请求响应的调用线程中,所有关联的对象引用到的都是同一个变量。

  下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路:

  非线程安全代码:

  

1 public class TestDao { 2   private Connection conn;// ①一个非线程安全的变量 3  4   public void addTopic() throws SQLException { 5     Statement stat = conn.createStatement();// ②引用非线程安全变量 6     // … 7   } 8 } 

  线程安全代码:

 1 public class TestDaoNew {  2   // ①使用ThreadLocal保存Connection变量  3   private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();  4   5   public static Connection getConnection() {  6     // ②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection,  7     // 并将其保存到线程本地变量中。  8     if (connThreadLocal.get() == null) {  9       Connection conn = getConnection(); 10       connThreadLocal.set(conn); 11       return conn; 12     } else { 13       return connThreadLocal.get();// ③直接返回线程本地变量 14     } 15   } 16  17   public void addTopic() throws SQLException { 18     // ④从ThreadLocal中获取线程对应的Connection 19     Statement stat = getConnection().createStatement(); 20   } 21 } 

不同的线程在使用TopicDao时,先判断connThreadLocal.get()是否是null,如果是null,则说明当前线程还没有对应的Connection对象,这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中;如果不为null,则说明当前的线程已经拥有了Connection对象,直接使用就可以了。这样,就保证了不同的线程使用线程相关的Connection,而不会使用其它线程的Connection。因此,这个TopicDao就可以做到singleton共享了。

  当然,这个例子本身很粗糙,将Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题,但无法和其它DAO共用同一个Connection,要做到同一事务多DAO共享同一Connection,必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。

 1 public class ConnectionManager {  2   3   private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {  4     @Override  5     protected Connection initialValue() {  6       Connection conn = null;  7       try {  8         conn = DriverManager.getConnection(  9             "jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username", 10             "password"); 11       } catch (SQLException e) { 12         e.printStackTrace(); 13       } 14       return conn; 15     } 16   }; 17  18   public static Connection getConnection() { 19     return connectionHolder.get(); 20   } 21  22   public static void setConnection(Connection conn) { 23     connectionHolder.set(conn); 24   } 25 } 

还有一个经典实例,在HibernateUtil中,用于session的管理:

 1 public class HibernateUtil { 2   private static Log log = LogFactory.getLog(HibernateUtil.class); 3   private static final SessionFactory sessionFactory;   //定义SessionFactory 4  5   static { 6     try { 7       // 通过默认配置文件hibernate.cfg. 8       sessionFactory = new Configuration().configure().buildSessionFactory(); 9     } catch (Throwable ex) {10       log.error("初始化SessionFactory失败!", ex);11       throw new ExceptionInInitializerError(ex);12     }13   }14 15   //创建线程局部变量session,用来保存Hibernate的Session16   public static final ThreadLocal session = new ThreadLocal();17 18   /**19    * 获取当前线程中的Session20    * @return Session21    * @throws HibernateException22   */23   public static Session currentSession() throws HibernateException {24     Session s = (Session) session.get();25     // 如果Session还没有打开,则新开一个Session26     if (s == null) {27       s = sessionFactory.openSession();28       session.set(s);     //将新开的Session保存到线程局部变量中29     }30     return s;31   }32 33   public static void closeSession() throws HibernateException {34     //获取线程局部变量,并强制转换为Session类型35     Session s = (Session) session.get();36     session.set(null);37     if (s != null)38       s.close();39   }40 }

总结:

  ThreadLocal使用场合主要解决多线程中数据数据因并发产生不一致问题。ThreadLocal为每个线程的中并发访问的数据提供一个副本,通过访问副本来运行业务,这样的结果是耗费了内存,单大大减少了线程同步所带来性能消耗,也减少了线程并发控制的复杂度。
  ThreadLocal不能使用原子类型,只能使用Object类型。ThreadLocal的使用比synchronized要简单得多。
  ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。但是ThreadLocal与synchronized有本质的区别。synchronized是利用锁的机制,使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问。而ThreadLocal为每一个线程都提供了变量的副本,使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象,这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。而 Synchronized却正好相反,它用于在多个线程间通信时能够获得数据共享。
   Synchronized用于线程间的数据共享,而ThreadLocal则用于线程间的数据隔离。
  当然ThreadLocal并不能替代synchronized,它们处理不同的问题域。Synchronized用于实现同步机制,比ThreadLocal更加复杂。
参考文档:
JDK 官方文档
http://blog.csdn.net/lufeng20/article/details/24314381
http://lavasoft.blog.51cto.com/62575/51926/