JAVA 多线程与高并发学习笔记（四）——ThreadLocal

在 Java 多线程中，为了保证多个线程对变量的安全访问，可以将变量放到 ThreadLocal 类型的对象中，使变量在每个线程中都有独立值。ThreadLocal 类通常被翻译为线程本地变量或线程局部变量。

ThreadLocal 的基本使用

ThreadLocal 中主要包含如下方法：

  • set(T value)，设置当前线程在线程本地变量实例中绑定的值。
  • T get()，获取当前线程在线程本地变量实例中绑定的值。
  • remove()，移除当前线程在线程本地变量实例中绑定的值。

看个简单的例子：

public class ThreadLocalDemo {

    static class Foo {
        static final AtomicInteger AMOUNT = new AtomicInteger(0);
        int index = 0;
        int bar = 10;
        public Foo() {
            index = AMOUNT.incrementAndGet();
        }

        public int getBar() {
            return bar;
        }

        public void setBar(int bar) {
            this.bar = bar;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return index + "@Foo{bar=" + bar + "}";
        }
    }

    private static final ThreadLocal<Foo> LOCAL_FOO = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            pool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    if (LOCAL_FOO.get() == null) {
                        LOCAL_FOO.set(new Foo());
                    }
                    System.out.println("线程的初始本地值: " + LOCAL_FOO.get());
                    try {
                        for (int i = 0; i < 3; i++) {
                            Foo foo = LOCAL_FOO.get();
                            foo.setBar(foo.getBar() + 1);
                            Thread.sleep(10);
                        }

                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("最终线程值: " + LOCAL_FOO.get());
                    LOCAL_FOO.remove();

                }
            });
        }
    }
}

运行结果如下：

threadlocal-example.png

如果第一次不想判断是否为空，还可以使用如下方式在定义的时候设置初始值。

ThreadLocal<Foo> LOCAL_FOO = ThreadLocal.withInitial(() -> new Foo());

ThreadLocal的使用场景

ThreadLocal是解决线程安全问题一个较好的方案，它通过为每个线程提供一个独立的值去解决并发的冲突问题。

线程隔离

ThreadLocal 主要用于线程隔离，防止自己的变量被其它线程修改，而且可以避免同步锁带来的性能损失。

ThreadLocal 线程隔离的使用案例包括为每个线程绑定一个用户会话信息、数据库连接、HTTP请求等。常见使用场景为数据库连接独享、Session数据管理等。

看一段 Hibernate 中的代码：

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;
}

跨函数传递数据

通常用于一个线程内，跨类、跨方法传递数据时，在某一个地方进行了设置，在随后同一个线程的任意地方都可以获取。

典型应用包括：

  • 用来传递请求过程中的用户ID。
  • 用来传递请求过程中的用户会话。
  • 用来传递HTTP用户的请求实例的 HttpRequest。

下面是一段参考代码：

public class SessionHolder {
    private static final ThreadLocal<String> sidLocal = new ThreadLocal<>("sidLocal");

    private static final ThreadLocal<UserDTO> sessionUserLocal = new ThreadLocal<>("sessionUserLocal");

    private static final ThreadLocal<HttpSession> sessionLocal = new ThreadLocal<>("sessionLocal");

    ...

    public static void setSession(HttpSession session) {
        sessionLocal.set(session);
    }

    public static HttpSession getSession() {
        HttpSession session = sessionLocal.get();
        Assert.notNull(session, "session not set");
        return session;
    }
}

ThreadLocal 源码分析

本部分看下 ThreadLocal 源码。

set方法

set(T value)方法用于设置本地线程变量，核心源码如下：

public void set(T value) {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程的 ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

   
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

大致流程：

  1. 获取当前线程，并获取当前线程的 ThreadLocalMap 成员传入 map。
  2. 如果 map 不为空，就将 value 设置到 map 中，当前的 ThreadLocal 作为键。
  3. 如果 map 为空，就位该线程创建 map，然后将 value 加入其中。

get方法

get() 方法源码如下：

public T get() {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取线程的 ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 如果map不为空
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 如果map为空
    return setInitialValue();
}

// 设置 ThreadLocal 关联的初始值并返回
private T setInitialValue() {
    // 获取初始值
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

大致流程如下：

  1. 获取当前线程，并获取当前线程的 ThreadLocalMap 成员，暂存于 map 变量。
  2. 如果获得的 map 不为空，那么以当前的 ThreadLocal 实例为键获取 map 中的记录。
  3. 如果记录的值不为空，就返回该值。
  4. 如果记录为空，就利用 initialValue() 初始化钩子函数获取初始值，被设置在 map 中。

remove 方法

remove() 方法用于移除线程本地变量中的值，源码如下：

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

initialValue 方法

initialValue() 方法用于获取初始值，源码如下：

protected T initialValue() {
    return null;
}

默认返回 null，一般使用 ThreadLocal.withInitial(...) 静态工厂方法来在定义 ThreadLocal 实例时设置初始值的回调函数。

静态工厂方法源码如下：

 static final class SuppliedThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {

    private final Supplier<? extends T> supplier;

    SuppliedThreadLocal(Supplier<? extends T> supplier) {
        this.supplier = Objects.requireNonNull(supplier);
    }

    @Override
    protected T initialValue() {
        return supplier.get();
    }
}

使用示例：

ThreadLocal<Foo> LOCAL_FOO = ThreadLocal.withInitial(() -> new Foo());

ThreadLocalMap 源码分析

ThreadLocal 的操作都是基于 ThreadLocalMap 展开的，而 ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的一个内部静态类，实现了一套简单的 Map 结构。

ThreadLocalMap 的成员变量如下：

static class ThreadLocalMap {
    // 条目类型，一个静态内部类
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }

    // 初始容量
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    // 条目数组，作为哈希表使用
    private Entry[] table;

    // 当前条目数量
    private int size = 0;

    // 扩容因子
    private int threshold; // Default to 0
    ...

然后看一下它的 set 方法。

 private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 根据 key 的 HashCode 找到插槽
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    // 从i开始向后循环搜索
    for (Entry e = tab[i];
            e != null;
            e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        // 找到插槽
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }

        // 找到异常插槽，重新设置
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    // 没有找到插槽，增加新的 Entry
    tab[i] = new Entry(key, value);
    // 数量增加
    int sz = ++size;
    // 清理 key 为 null 的无效 Entry
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

另外，需要注意 Entry 使用了弱引用（WeakReference）。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

这里简单介绍下原因。首先介绍下弱引用的特点，仅有弱引用指向的对象只能生存到下一次垃圾回收之前。因此，在下次 GC 发生时，就可以使用那些没有被其他强引用指向、仅被 Entry 的 Key 所指向的 ThreadLocal 实例能被顺利回收。回收之后，Entry 的 Key 变为空，后续调用 get()、set() 或 remove() 的时候会清空这些 Entry。

ThreadLocal 使用规范

在如下条件下，ThreadLocal 有可能发生内存泄露：

  • 线程长时间运行而没有被销毁，线程池中的 Thread 实例很容易满足此条件。
  • ThreadLocal 引用内设置为null，且后续在同一 Thread 实例执行期间，没有发生其它 ThreadLocal 实例的get()、set() 或 remove()操作。

建议使用 ThreadLocal 时遵循以下原则：

  • 尽量使用 private static final 修饰 ThreadLocal 实例，private 和 final修饰符保证尽可能不让他人修改，static修饰符保证实例全局唯一。
  • ThreadLocal 使用完成之后务必调用 remove() 方法。
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