Java并发编程实践之ThreadLocal变量
2016-01-25 16:28
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早在JDK1.2的版本中就提供了java.lang.ThreadLocal,为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。
ThreadLocal很容易让人望文生义,想当然地认为是一个“本地线程”。其实,ThreadLocal并不是一个Thread,而是Thread的局部变量,也许把它命名为ThreadLocalVariable更容易让人理解一些。当使用ThreadLocal维护变量时,Threadlocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本,所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其他线程所独立的副本。
从线程的角度看,目标变量就是线程的本地变量,这也是类名中“Local”所要表达的意思。线程局部变量并不是Java的新发明,很多语言(如IBM XL FORTRAN)在语法层面就提供了线程局部变量。在Java中没有提供语言级支持,而是变相地通过ThreadLocal的类提供支持。
JDK5以后提供了泛型支持,ThreadLocal被定义为支持泛型:
public class ThreadLocal<T> extends Object
T为线程局部变量的类型。该类定义了4个方法:
1)、protected T initialValue():返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。线程的第一次使用get()方法访问变量时将调用此方法,但如果线程之前调用了set(T)方法,则不会对该线程再调用initialValue方法。通常,此方法对每个线程最多调用一次,但如果在调用get()后又调用了remove(),则可能再次调用此方法。
该实现返回null,如果程序员希望线程局部变量具有null以外的值,则必须为ThreadLocal创建子类,并重写此方法。通常将使用匿名内部类完成此操作。
2)public Tget():返回此线程局部变量的当前线程副本中的值。如果变量没有用于当前线程的值,则先将其初始化为调用initialValue方法返回的值。
3)public void Set(T value):将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。大部分子类不需要重写此方法,它们只依靠initialValue()方法来设置线程局部变量的值。
4)public void remove():移除此线程局部变量当前线程的值。如果此线程局部变量随后被当前线程读取,且这期间当前线程没有设置其值,则将调用其initialValue()方法重新初始化其值。这将导致在当前线程多次调用initialValue方法。
下面是一个使用ThreadLocal的例子,每个线程产生自己独立的序列号。就是使用Threadlocal存储每个线程独立的版本号副本,线程之间互不干扰。
public class SequenceNumber {
//定义匿名内部类创建ThreadLocal的变量
private static ThreadLocal<Integer> seqNum=new ThreadLocal<Integer>(){
//覆盖初始化方法
public Integer initialValue(){
return 0;
}
};
//下一个序列号
public int getNextNum(){
seqNum.set(seqNum.get()+1);
return seqNum.get();
}
private static class TestClient extends Thread{
private SequenceNumber sn;
public TestClient(SequenceNumber sn){
this.sn=sn;
}
//产生序列号
public void run(){
for(int i=0;i<3;i++){
System.out.println("Thread["+Thread.currentThread().getName()+
"] sn["+sn.getNextNum()+"]");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SequenceNumber seqNum=new SequenceNumber();
//三个线程产生各自的序列号
TestClient t1=new TestClient(seqNum);
TestClient t2=new TestClient(seqNum);
TestClient t3=new TestClient(seqNum);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
public class SequenceNumber {
//定义匿名内部类创建ThreadLocal的变量
private static ThreadLocal<Integer> seqNum=new ThreadLocal<Integer>(){
//覆盖初始化方法
public Integer initialValue(){
return 0;
}
};
//下一个序列号
public int getNextNum(){
seqNum.set(seqNum.get()+1);
return seqNum.get();
}
private static class TestClient extends Thread{
private SequenceNumber sn;
public TestClient(SequenceNumber sn){
this.sn=sn;
}
//产生序列号
public void run(){
for(int i=0;i<3;i++){
System.out.println("Thread["+Thread.currentThread().getName()+
"] sn["+sn.getNextNum()+"]");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SequenceNumber seqNum=new SequenceNumber();
//三个线程产生各自的序列号
TestClient t1=new TestClient(seqNum);
TestClient t2=new TestClient(seqNum);
TestClient t3=new TestClient(seqNum);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
程序的运行结果如下:
Java代码
Thread[Thread-0] sn[1]
Thread[Thread-0] sn[2]
Thread[Thread-0] sn[3]
Thread[Thread-1] sn[1]
Thread[Thread-1] sn[2]
Thread[Thread-1] sn[3]
Thread[Thread-2] sn[1]
Thread[Thread-2] sn[2]
Thread[Thread-2] sn[3]
Thread[Thread-0] sn[1]
Thread[Thread-0] sn[2]
Thread[Thread-0] sn[3]
Thread[Thread-1] sn[1]
Thread[Thread-1] sn[2]
Thread[Thread-1] sn[3]
Thread[Thread-2] sn[1]
Thread[Thread-2] sn[2]
Thread[Thread-2] sn[3]
从运行结果可以看出,使用了ThreadLocal后,每个线程产生了独立的序列号,没有相互干扰。通常我们通过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类,提供初始的变量值。
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缜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,时候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。
概况起来说,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。前者仅提供了一份变量,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。
需要注意的是ThreadLocal对象是一个本质上存在风险的工具,应该在完全理解将要使用的线程模型之后,再去使用ThreadLocal对象。这就引出了线程池(thread pool)的问题,线程池是一种线程重用技术,有了线程池就不必为每个任务创建线的线程,一个线程可能会多次使用,用于这种环境的任何ThreadLocal对象包含的都是最后使用该线程的代码锁设置的状态,而不是在开始执行新线程时所具有的未被初始化的状态。
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从线程的角度看,目标变量就是线程的本地变量,这也是类名中“Local”所要表达的意思。线程局部变量并不是Java的新发明,很多语言(如IBM XL FORTRAN)在语法层面就提供了线程局部变量。在Java中没有提供语言级支持,而是变相地通过ThreadLocal的类提供支持。
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public class ThreadLocal<T> extends Object
T为线程局部变量的类型。该类定义了4个方法:
1)、protected T initialValue():返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。线程的第一次使用get()方法访问变量时将调用此方法,但如果线程之前调用了set(T)方法,则不会对该线程再调用initialValue方法。通常,此方法对每个线程最多调用一次,但如果在调用get()后又调用了remove(),则可能再次调用此方法。
该实现返回null,如果程序员希望线程局部变量具有null以外的值,则必须为ThreadLocal创建子类,并重写此方法。通常将使用匿名内部类完成此操作。
2)public Tget():返回此线程局部变量的当前线程副本中的值。如果变量没有用于当前线程的值,则先将其初始化为调用initialValue方法返回的值。
3)public void Set(T value):将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。大部分子类不需要重写此方法,它们只依靠initialValue()方法来设置线程局部变量的值。
4)public void remove():移除此线程局部变量当前线程的值。如果此线程局部变量随后被当前线程读取,且这期间当前线程没有设置其值,则将调用其initialValue()方法重新初始化其值。这将导致在当前线程多次调用initialValue方法。
下面是一个使用ThreadLocal的例子,每个线程产生自己独立的序列号。就是使用Threadlocal存储每个线程独立的版本号副本,线程之间互不干扰。
public class SequenceNumber {
//定义匿名内部类创建ThreadLocal的变量
private static ThreadLocal<Integer> seqNum=new ThreadLocal<Integer>(){
//覆盖初始化方法
public Integer initialValue(){
return 0;
}
};
//下一个序列号
public int getNextNum(){
seqNum.set(seqNum.get()+1);
return seqNum.get();
}
private static class TestClient extends Thread{
private SequenceNumber sn;
public TestClient(SequenceNumber sn){
this.sn=sn;
}
//产生序列号
public void run(){
for(int i=0;i<3;i++){
System.out.println("Thread["+Thread.currentThread().getName()+
"] sn["+sn.getNextNum()+"]");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SequenceNumber seqNum=new SequenceNumber();
//三个线程产生各自的序列号
TestClient t1=new TestClient(seqNum);
TestClient t2=new TestClient(seqNum);
TestClient t3=new TestClient(seqNum);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
public class SequenceNumber {
//定义匿名内部类创建ThreadLocal的变量
private static ThreadLocal<Integer> seqNum=new ThreadLocal<Integer>(){
//覆盖初始化方法
public Integer initialValue(){
return 0;
}
};
//下一个序列号
public int getNextNum(){
seqNum.set(seqNum.get()+1);
return seqNum.get();
}
private static class TestClient extends Thread{
private SequenceNumber sn;
public TestClient(SequenceNumber sn){
this.sn=sn;
}
//产生序列号
public void run(){
for(int i=0;i<3;i++){
System.out.println("Thread["+Thread.currentThread().getName()+
"] sn["+sn.getNextNum()+"]");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SequenceNumber seqNum=new SequenceNumber();
//三个线程产生各自的序列号
TestClient t1=new TestClient(seqNum);
TestClient t2=new TestClient(seqNum);
TestClient t3=new TestClient(seqNum);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
程序的运行结果如下:
Java代码
Thread[Thread-0] sn[1]
Thread[Thread-0] sn[2]
Thread[Thread-0] sn[3]
Thread[Thread-1] sn[1]
Thread[Thread-1] sn[2]
Thread[Thread-1] sn[3]
Thread[Thread-2] sn[1]
Thread[Thread-2] sn[2]
Thread[Thread-2] sn[3]
Thread[Thread-0] sn[1]
Thread[Thread-0] sn[2]
Thread[Thread-0] sn[3]
Thread[Thread-1] sn[1]
Thread[Thread-1] sn[2]
Thread[Thread-1] sn[3]
Thread[Thread-2] sn[1]
Thread[Thread-2] sn[2]
Thread[Thread-2] sn[3]
从运行结果可以看出,使用了ThreadLocal后,每个线程产生了独立的序列号,没有相互干扰。通常我们通过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类,提供初始的变量值。
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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。
概况起来说,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。前者仅提供了一份变量,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。
需要注意的是ThreadLocal对象是一个本质上存在风险的工具,应该在完全理解将要使用的线程模型之后,再去使用ThreadLocal对象。这就引出了线程池(thread pool)的问题,线程池是一种线程重用技术,有了线程池就不必为每个任务创建线的线程,一个线程可能会多次使用,用于这种环境的任何ThreadLocal对象包含的都是最后使用该线程的代码锁设置的状态,而不是在开始执行新线程时所具有的未被初始化的状态。
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