java ThreadLocal(应用场景及使用方式及原理)

虽然ThreadLocal与并发问题相关，但是许多程序员仅仅将它作为一种用于“方便传参”的工具，胖哥认为这也许并不是ThreadLocal设计的目的，它本身是为线程安全和某些特定场景的问题而设计的。
ThreadLocal是什么呢！
每个ThreadLocal可以放一个线程级别的变量，但是它本身可以被多个线程共享使用，而且又可以达到线程安全的目的，且绝对线程安全。
例如：

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public final static ThreadLocal<String> RESOURCE = new ThreadLocal<String>();

RESOURCE代表一个可以存放String类型的ThreadLocal对象，此时任何一个线程可以并发访问这个变量，对它进行写入、读取操作，都是线程安全的。比如一个线程通过RESOURCE.set(“aaaa”);将数据写入ThreadLocal中，在任何一个地方，都可以通过RESOURCE.get();将值获取出来。
但是它也并不完美，有许多缺陷，就像大家依赖于它来做参数传递一样，接下来我们就来分析它的一些不好的地方。
为什么有些时候会将ThreadLocal作为方便传递参数的方式呢？例如当许多方法相互调用时，最初的设计可能没有想太多，有多少个参数就传递多少个变量，那么整个参数传递的过程就是零散的。进一步思考：若A方法调用B方法传递了8个参数，B方法接下来调用C方法->D方法->E方法->F方法等只需要5个参数，此时在设计API时就涉及5个参数的入口，这些方法在业务发展的过程中被许多地方所复用。
某一天，我们发现F方法需要加一个参数，这个参数在A方法的入口参数中有，此时，如果要改中间方法牵涉面会很大，而且不知道修改后会不会有Bug。作为程序员的我们可能会随性一想，ThreadLocal反正是全局的，就放这里吧，确实好解决。
但是此时你会发现系统中这种方式有点像在贴补丁，越贴越多，我们必须要求调用相关的代码都使用ThreadLocal传递这个参数，有可能会搞得乱七八糟的。换句话说，并不是不让用，而是我们要明确它的入口和出口是可控的。
诡异的ThreadLocal最难琢磨的是“作用域”，尤其是在代码设计之初很乱的情况下，如果再增加许多ThreadLocal，系统就会逐渐变成神龙见首不见尾的情况。有了这样一个省事的东西，可能许多小伙伴更加不在意设计，因为大家都认为这些问题都可以通过变化的手段来解决。胖哥认为这是一种恶性循环。
对于这类业务场景，应当提前有所准备，需要粗粒度化业务模型，即使要用ThreadLocal，也不是加一个参数就加一个ThreadLocal变量。例如，我们可以设计几种对象来封装入口参数，在接口设计时入口参数都以对象为基础。
也许一个类无法表达所有的参数意思，而且那样容易导致强耦合。
通常我们按照业务模型分解为几大类型对象作为它们的参数包装，并且将按照对象属性共享情况进行抽象，在继承关系的每一个层次各自扩展相应的参数，或者说加参数就在对象中加，共享参数就在父类中定义，这样的参数就逐步规范化了。
我们回到正题，探讨一下ThreadLocal到底是用来做什么的？为此我们探讨下文中的几个话题。

（1）应用场景及使用方式

为了说明ThreadLocal的应用场景，我们来看一个框架的例子。Spring的事务管理器通过AOP切入业务代码，在进入业务代码前，会根据对应的事务管理器提取出相应的事务对象，假如事务管理器是DataSourceTransactionManager，就会从DataSource中获取一个连接对象，通过一定的包装后将其保存在ThreadLocal中。并且Spring也将DataSource进行了包装，重写了其中的getConnection()方法，或者说该方法的返回将由Spring来控制，这样Spring就能让线程内多次获取到的Connection对象是同一个。
为什么要放在ThreadLocal里面呢？因为Spring在AOP后并不能向应用程序传递参数，应用程序的每个业务代码是事先定义好的，Spring并不会要求在业务代码的入口参数中必须编写Connection的入口参数。此时Spring选择了ThreadLocal，通过它保证连接对象始终在线程内部，任何时候都能拿到，此时Spring非常清楚什么时候回收这个连接，也就是非常清楚什么时候从ThreadLocal中删除这个元素（在9.2节中会详细讲解）。
从Spring事务管理器的设计上可以看出，Spring利用ThreadLocal得到了一个很完美的设计思路，同时它在设计时也十分清楚ThreadLocal中元素应该在什么时候删除。由此，我们简单地认为ThreadLocal尽量使用在一个全局的设计上，而不是一种打补丁的间接方法。
了解了基本应用场景后，接下来看一个例子。定义一个类用于存放静态的ThreadLocal对象，通过多个线程并行地对ThreadLocal对象进行set、get操作，并将值进行打印，来看看每个线程自己设置进去的值和取出来的值是否是一样的。代码如下：
代码清单5-8 简单的ThreadLocal例子

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public class ThreadLocalTest {

static class ResourceClass {

public final static ThreadLocal<String> RESOURCE_1 =

new ThreadLocal<String>();

public final static ThreadLocal<String> RESOURCE_2 =

new ThreadLocal<String>();

}

static class A {

public void setOne(String value) {

ResourceClass.RESOURCE_1.set(value);

}

public void setTwo(String value) {

ResourceClass.RESOURCE_2.set(value);

}

}

static class B {

public void display() {

System.out.println(ResourceClass.RESOURCE_1.get()

+ ":" + ResourceClass.RESOURCE_2.get());

}

}

public static void main(String []args) {

final A a = new A();

final B b = new B();

for(int i = 0 ; i < 15 ; i ++) {

final String resouce1 = "线程-" + I;

final String resouce2 = " value = (" + i + ")";

new Thread() {

public void run() {

try {

a.setOne(resouce1);

a.setTwo(resouce2);

b.display();

}finally {

ResourceClass.RESOURCE_1.remove();

ResourceClass.RESOURCE_2.remove();

}

}

}.start();

}

}

}

关于这段代码，我们先说几点。
◎ 定义了两个ThreadLocal变量，最终的目的就是要看最后两个值是否能对应上，这样才有机会证明ThreadLocal所保存的数据可能是线程私有的。
◎ 使用两个内部类只是为了使测试简单，方便大家直观理解，大家也可以将这个例子的代码拆分到多个类中，得到的结果是相同的。
◎ 测试代码更像是为了方便传递参数，因为它确实传递参数很方便，但这仅仅是为了测试。
◎ 在finally里面有remove()操作，是为了清空数据而使用的。为何要清空数据，在后文中会继续介绍细节。
测试结果如下：
线程-6: value = (6)
线程-9: value = (9)
线程-0: value = (0)
线程-10: value = (10)
线程-12: value = (12)
线程-14: value = (14)
线程-11: value = (11)
线程-3: value = (3)
线程-5: value = (5)
线程-13: value = (13)
线程-2: value = (2)
线程-4: value = (4)
线程-8: value = (8)
线程-7: value = (7)
线程-1: value = (1)
大家可以看到输出的线程顺序并非最初定义线程的顺序，理论上可以说明多线程应当是并发执行的，但是依然可以保持每个线程里面的值是对应的，说明这些值已经达到了线程私有的目的。
不是说共享变量无法做到线程私有吗？它又是如何做到线程私有的呢？这就需要我们知道一点点原理上的东西，否则用起来也没那么放心，请看下面的介绍。

（2）ThreadLocal内在原理

从前面的操作可以发现，ThreadLocal最常见的操作就是set、get、remove三个动作，下面来看看这三个动作到底做了什么事情。首先看set操作，源码片段如图5-5所示。



图5-5 ThreadLcoal.set源码片段
图5-5中的第一条代码取出了当前线程t，然后调用getMap(t)方法时传入了当前线程，换句话说，该方法返回的ThreadLocalMap和当前线程有点关系，我们先记录下来。进一步判定如果这个map不为空，那么设置到Map中的Key就是this，值就是外部传入的参数。这个this是什么呢？就是定义的ThreadLocal对象。
代码中有两条路径需要追踪，分别是getMap(Thread)和createMap(Thread , T)。首先来看看getMap(t)操作，如图5-6所示。

图5-6 getMap(Thread)操作



在这里，我们看到ThreadLocalMap其实就是线程里面的一个属性，它在Thread类中的定义是：
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
这种方法很容易让人混淆，因为这个ThreadLocalMap是ThreadLocal里面的内部类，放在了Thread类里面作为一个属性而存在，ThreadLocal本身成为这个Map里面存放的Key，用户输入的值是Value。太乱了，理不清楚了，画个图来看看（见图5-7）。
简单来讲，就是这个Map对象在Thread里面作为私有的变量而存在，所以是线程安全的。ThreadLocal通过Thread.currentThread()获取当前的线程就能得到这个Map对象，同时将自身作为Key发起写入和读取，由于将自身作为Key，所以一个ThreadLocal对象就能存放一个线程中对应的Java对象，通过get也自然能找到这个对象。

图5-7 Thread与ThreadLocal的伪代码关联关系



如果还没有理解，则可以将思维放宽一点。当定义变量String a时，这个“a”其实只是一个名称（在第3章中已经说到了常量池），虚拟机需要通过符号表来找到相应的信息，而这种方式正好就像一种K-V结构，底层的处理方式也确实很接近这样，这里的处理方式是显式地使用Map来存放数据，这也是一种实现手段的变通。
现在有了思路，继续回到上面的话题，为了验证前面的推断和理解，来看看createMap方法的细节，如图5-8所示。



图5-8 createMap操作
这段代码是执行一个创建新的Map的操作，并且将第一个值作为这个Map的初始化值，由于这个Map是线程私有的，不可能有另一个线程同时也在对它做put操作，因此这里的赋值和初始化是绝对线程安全的，也同时保证了每一个外部写入的值都将写入到Map对象中。
最后来看看get()、remove()代码，或许看到这里就可以认定我们的理论是正确的，如图5-9所示。



图5-9 get()/remove()方法的代码片段
给我们的感觉是，这样实现是一种技巧，而不是一种技术。
其实是技巧还是技术完全是从某种角度来看的，或者说是从某种抽象层次来看的，如果这段代码在C++中实现，难道就叫技术，不是技巧了吗？当然不是！胖哥认为技术依然是建立在思想和方法基础上的，只是看实现的抽象层次在什么级别。就像在本书中多个地方探讨的一些基础原理一样，我们探讨了它的思想，其实它的实现也是基于某种技巧和手段的，只是对程序封装后就变成了某种语法和API，因此胖哥认为，一旦学会使用技巧思考问题，就学会了通过技巧去看待技术本身。我们应当通过这种设计，学会一种变通和发散的思维，学会理解各种各样的场景，这样便可以积累许多真正的财富，这些财富不是通过某些工具的使用或测试就可以获得的。
ThreadLocal的这种设计很完美吗？
不是很完美，它依然有许多坑，在这里对它容易误导程序员当成传参工具就不再多提了，下面我们来看看它的使用不当会导致什么技术上的问题。

（3）ThreadLocal的坑

通过上面的分析，我们可以认识到ThreadLocal其实是与线程绑定的一个变量，如此就会出现一个问题：如果没有将ThreadLocal内的变量删除（remove）或替换，它的生命周期将会与线程共存。因此，ThreadLocal的一个很大的“坑”就是当使用不当时，导致使用者不知道它的作用域范围。
大家可能认为线程结束后ThreadLocal应该就回收了，如果线程真的注销了确实是这样的，但是事实有可能并非如此，例如在线程池中对线程管理都是采用线程复用的方法（Web容器通常也会采用线程池），在线程池中线程很难结束甚至于永远不会结束，这将意味着线程持续的时间将不可预测，甚至与JVM的生命周期一致。那么相应的ThreadLocal变量的生命周期也将不可预测。
也许系统中定义少量几个ThreadLocal变量也无所谓，因为每次set数据时是用ThreadLocal本身作为Key的，相同的Key肯定会替换原来的数据，原来的数据就可以被释放了，理论上不会导致什么问题。但世事无绝对，如果ThreadLocal中直接或间接包装了集合类或复杂对象，每次在同一个ThreadLocal中取出对象后，再对内容做操作，那么内部的集合类和复杂对象所占用的空间可能会开始膨胀。
抛开代码本身的问题，举一个极端的例子。如果不想定义太多的ThreadLocal变量，就用一个HashMap来存放，这貌似没什么问题。由于ThreadLocal在程序的任何一个地方都可以用得到，在某些设计不当的代码中很难知道这个HashMap写入的源头，在代码中为了保险起见，通常会先检查这个HashMap是否存在，若不存在，则创建一个HashMap写进去；若存在，通常也不会替换掉，因为代码编写者通常会“害怕”因为这种替换会丢掉一些来自“其他地方写入HashMap的数据”，从而导致许多不可预见的问题。
在这样的情况下，HashMap第一次放入ThreadLocal中也许就一直不会被释放，而这个HashMap中可能开始存放许多Key-Value信息，如果业务上存放的Key值在不断变化（例如，将业务的ID作为Key），那么这个HashMap就开始不断变长，并且很可能在每个线程中都有一个这样的HashMap，逐渐地形成了间接的内存泄漏。曾经有很多人吃过这个亏，而且吃亏的时候发现这样的代码可能不是在自己的业务系统中，而是出现在某些二方包、三方包中（开源并不保证没有问题）。
要处理这种问题很复杂，不过首先要保证自己编写的代码是没问题的，要保证没问题不是说我们不去用ThreadLocal，甚至不去学习它，因为它肯定有其应用价值。在使用时要明白ThreadLocal最难以捉摸的是“不知道哪里是源头”（通常是代码设计不当导致的），只有知道了源头才能控制结束的部分，或者说我们从设计的角度要让ThreadLocal的set、remove有始有终，通常在外部调用的代码中使用finally来remove数据，只要我们仔细思考和抽象是可以达到这个目的的。有些是二方包、三方包的问题，对于这些问题我们需要学会的是找到问题的根源后解决，关于二方包、三方包的运行跟踪，可参看第3.7.9节介绍的BTrace工具。
补充：在任何异步程序中（包括异步I/O、非阻塞I/O），ThreadLocal的参数传递是不靠谱的，因为线程将请求发送后，就不再等待远程返回结果继续向下执行了，真正的返回结果得到后，处理的线程可能是另一个。

#####################################个人总结 ####################################

Thread.java源码中:

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ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

即:每个Thread对象都有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap成员变量,ThreadLocal.ThreadLocalMap是一个ThreadLocal类的静态内部类(如下所示),所以Thread类可以进行引用.

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static class ThreadLocalMap {

所以每个线程都会有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap对象的引用

当在ThreadLocal中进行设值的时候:

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public void set(T value) {

Thread t = Thread.currentThread();

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)

map.set(this, value);

else

createMap(t, value);

}

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ThreadLocalMap getMap(Thread t) {

return t.threadLocals;

}

首先获取当前线程的引用,然后获取当前线程的ThreadLocal.ThreadLocalMap对象(t.threadLocals变量就是ThreadLocal.ThreadLocalMap的变量),如果该对象为空就创建一个,如下所示:

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void createMap(Thread t, T firstValue) {

t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);

}

这个this变量就是ThreadLocal的引用,对于同一个ThreadLocal对象每个线程都是相同的,但是每个线程各自有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap对象保存着各自ThreadLocal引用为key的值,所以互不影响,而且:如果你新建一个ThreadLocal的对象,这个对象还是保存在每个线程同一个ThreadLocal.ThreadLocalMap对象之中,因为一个线程只有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap对象,这个对象是在第一个ThreadLocal第一次设值的时候进行创建,如上所述的createMap方法.

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ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue) {

table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];

int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);

table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);

size = 1;

setThreshold(INITIAL_CAPACITY);

}

总结:

深入研究java.lang.ThreadLocal类:http://blog.csdn.net/xiaohulunb/article/details/19603611

API说明:

ThreadLocal(),T get(),protected T initialValue(),void remove(),void set(T value)

典型实例:

1.Hiberante的Session 工具类HibernateUtil

2.通过不同的线程对象设置Bean属性，保证各个线程Bean对象的独立性。

ThreadLocal使用的一般步骤:

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1、在多线程的类（如ThreadDemo类）中，创建一个ThreadLocal对象threadXxx，用来保存线程间需要隔离处理的对象xxx。

2、在ThreadDemo类中，创建一个获取要隔离访问的数据的方法getXxx()，在方法中判断，若ThreadLocal对象为null时候，应该new()一个隔离访问类型的对象，并强制转换为要应用的类型。

3、在ThreadDemo类的run()方法中，通过getXxx()方法获取要操作的数据，这样可以保证每个线程对应一个数据对象，在任何时刻都操作的是这个对象。

与Synchonized的对比:

[plain] view plain copy

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。

一句话理解ThreadLocal:向ThreadLocal里面存东西就是向它里面的Map存东西的，然后ThreadLocal把这个Map挂到当前的线程底下，这样Map就只属于这个线程了。

使用ThreadLocal改进你的层次的划分(spring事务的实现):http://blog.csdn.net/zhouyong0/article/details/7761835

源码剖析之ThreadLocal:http://wangxinchun.iteye.com/blog/1884228

Java中的ThreadLocal源码解析（上）:http://maosidiaoxian.iteye.com/blog/1939142

ThreadLocal与synchronized:http://blog.csdn.net/yangairong1984/article/details/2294572

Java线程：深入ThreadLocal:http://lavasoft.blog.51cto.com/62575/258459(一个ThreadLocal的模拟实现)

Java多线程（六）、ThreadLocal类：http://blog.csdn.net/lonelyroamer/article/details/7998137