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ThreadLocal应用及源码分析

2020-11-20 10:06 169 查看
ThreadLocal

基本使用

ThreadLocal 的作用是：提供线程内的局部变量，不同的线程之间不会相互干扰，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或组件之间一些公共变量传递的复杂度，降低耦合性。

方法声明 描述
ThreadLocal() 创建ThreadLocal对象
public void set( T value) 设置当前线程绑定的局部变量
public T get() 获取当前线程绑定的局部变量
public void remove() 移除当前线程绑定的局部变量

简单使用：

public class MyDemo {
private String content;

private String getContent() {
return content;
}

private void setContent(String content) {
this.content = content;
}

public static void main(String[] args) {
MyDemo demo = new MyDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
System.out.println("-----------------------");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
}
});
thread.setName("线程" + i);
thread.start();
}
}
}

public class MyDemo {

private static ThreadLocal<String> tl = new ThreadLocal<>();

private String content;

private String getContent() {
return tl.get();
}

private void setContent(String content) {
tl.set(content);
}

public static void main(String[] args) {
MyDemo demo = new MyDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
System.out.println("-----------------------");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
}
});
thread.setName("线程" + i);
thread.start();
}
}
}

这样可以很好的解决多线程之间数据隔离的问题，用synchronized加锁也可以实现，但synchronized侧重的是多个线程之间访问资源的同步性，而ThreadLocal侧重的是每个线程之间的数据隔离。

synchronized ThreadLocal
原理 同步机制采用'以时间换空间'的方式, 只提供了一份变量,让不同的线程排队访问 ThreadLocal采用'以空间换时间'的方式, 为每一个线程都提供了一份变量的副本,从而实现同时访问而相不干扰
侧重点 多个线程之间访问资源的同步性 多线程中让每个线程之间的数据相互隔离

应用场景

涉及到数据传递和线程隔离的场景，可以考虑用ThreadLocal来解决：转账案例，涉及两个DML操作： 一个转出，一个转入。这些操作是需要具备原子性的。所以这里就需要操作事务，来保证转出和转入操作具备原子性。开启事务的注意两点：

  • 为了保证所有的操作在一个事务中, 使用的连接必须是同一个: service层开启事务的connection需要跟dao层访问数据库的connection保持一致。
  • 线程并发情况下, 每个线程只能操作各自的 connection。

用ThreadLocal的解决方案：在获取Connection连接的JdbcUtils工具类加入ThreadLocal，代码如下：

public class JdbcUtils {
//ThreadLocal对象 : 将connection绑定在当前线程中
private static final ThreadLocal<Connection> tl = new ThreadLocal();

// c3p0 数据库连接池对象属性
private static final ComboPooledDataSource ds = new ComboPooledDataSource();

// 获取连接
public static Connection getConnection() throws SQLException {
//取出当前线程绑定的connection对象
Connection conn = tl.get();
if (conn == null) {
//如果没有，则从连接池中取出
conn = ds.getConnection();
//再将connection对象绑定到当前线程中
tl.set(conn);
}
return conn;
}

//释放资源
public static void release(AutoCloseable... ios) {
for (AutoCloseable io : ios) {
if (io != null) {
try {
io.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

public static void commitAndClose() {
try {
Connection conn = getConnection();
//提交事务
conn.commit();
//解除绑定
tl.remove();
//释放连接
conn.close();
} catch (SQLException e) {
e.printStackTrace();
}
}

public static void rollbackAndClose() {
try {
Connection conn = getConnection();
//回滚事务
conn.rollback();
//解除绑定
tl.remove();
//释放连接
conn.close();
} catch (SQLException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

可以看出使用ThreadLocal的好处：

  1. 传递数据 ： 保存每个线程绑定的数据，在需要的地方可以直接获取, 避免参数直接传递带来的代码耦合问题
  2. 线程隔离 ： 各线程之间的数据相互隔离却又具备并发性，避免同步方式带来的性能损失

ThreadLocal的内部结构

jdk8以前：

jdk8之前使用ThreadLocal来维护一个ThreadLocalMap，以线程作为key

jdk8以后：

jdk8之后使用Thread来维护一个ThreadLocalMap，以ThreadLocal作为key

这样涉及的好处：

（1） 每个

Map
存储的
Entry
数量就会变少，因为jdk8之前的存储数量由
Thread
的数量决定，现在是由
ThreadLocal
的数量决定。

（2） 当

Thread
销毁之后，对应的
ThreadLocalMap
也会随之销毁，能减少内存的使用。

ThreadLocal核心方法的源码

方法声明 描述
protected T initialValue() 返回当前线程局部变量的初始值
public void set( T value) 设置当前线程绑定的局部变量
public T get() 获取当前线程绑定的局部变量
public void remove() 移除当前线程绑定的局部变量

get()

/**
* 返回当前线程中保存ThreadLocal的值
* 如果当前线程没有此ThreadLocal变量，
* 则它会通过调用{@link #initialValue} 方法进行初始化值
*
* @return 返回当前线程对应此ThreadLocal的值
*/
public T get() {
// 获取当前线程对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 如果此map存在
if (map != null) {
// 以当前的ThreadLocal 为 key，调用getEntry获取对应的存储实体e
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
// 找到对应的存储实体 e
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
// 获取存储实体 e 对应的 value值
// 即为我们想要的当前线程对应此ThreadLocal的值
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
// 如果map不存在，则证明此线程没有维护的ThreadLocalMap对象
// 调用setInitialValue进行初始化
return setInitialValue();
}

/**
* set的变样实现，用于初始化值initialValue，
* 用于代替防止用户重写set()方法
*
* @return the initial value 初始化后的值
*/
private T setInitialValue() {
// 调用initialValue获取初始化的值
T value = initialValue();
// 获取当前线程对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 如果此map存在
if (map != null)
// 存在则调用map.set设置此实体entry
map.set(this, value);
else
// 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
// 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
// 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
createMap(t, value);
// 返回设置的值value
return value;
}

/**
* 获取当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap
*
* @param  t the current thread 当前线程
* @return the map 对应维护的ThreadLocalMap
*/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
/**
*创建当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap
*
* @param t 当前线程
* @param firstValue 存放到map中第一个entry的值
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
//这里的this是调用此方法的threadLocal
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

首先调用

Thread.currentThread()
方法获取当前线程对象，然后根据当前线程获取维护的
ThreadLocalMap
对象；如果获取的
Map
不为空，则在Map中以
ThreadLocal
的引用作为key，调用
getEntry
获取对应的存储实体，如果Entry不为空，获取对应的 value值。如果Map为空或者Entry为空，则调用
setInitialValue()
方法。setInitialValue()方法里，调用
initialValue()
方法获取初始化值value，然后判断当前线程是否有
ThreadLocalMap
，map存在，调用
set
设置Entry；map不存在则调用
createMap()
进行ThreadLocalMap对象的初始化，并将此
entry
作为第一个值存放至ThreadLocalMap中。

set()

/**
* 设置当前线程对应的ThreadLocal的值
*
* @param value 将要保存在当前线程对应的ThreadLocal的值
*/
public void set(T value) {
// 获取当前线程对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 如果此map存在
if (map != null)
// 存在则调用map.set设置此实体entry
map.set(this, value);
else
// 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
// 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
// 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
createMap(t, value);
}

​ A. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个ThreadLocalMap

​ B. 如果获取的Map不为空，则将参数设置到Map中（当前ThreadLocal的引用作为key）

​ C. 如果Map为空，则调用createMap给该线程创建 Map，并设置初始值

remove()

/**
* 删除当前线程中保存的ThreadLocal对应的实体entry
*/
public void remove() {
// 获取当前线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
// 如果此map存在
if (m != null)
// 存在则调用map.remove
// 以当前ThreadLocal为key删除对应的实体entry
m.remove(this);
}

  1. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个ThreadLocalMap

  2. 如果获取的Map不为空，则移除当前ThreadLocal对象对应的entry

initialValue()

protected T initialValue() {
return null;
}

（1） 这个方法是一个延迟调用方法，在set方法还未调用而先调用了get方法时才执行，并且仅执行1次。

（2）这个方法直接返回一个

null
。

（3）如果想要一个除null之外的初始值，可以重写此方法。（备注： 该方法是一个

protected
的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的）

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也是独立实现。

  1. 成员变量

    /**
* 初始容量 —— 必须是2的整次幂
*/
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

/**
* 存放数据的table
* 同样，数组长度必须是2的幂。
*/
private Entry[] table;

/**
* 数组里面entrys的个数，可以用于判断table当前使用量是否超过负载因子。
*/
private int size = 0;

/**
* 进行扩容的阈值，表使用量大于它的时候进行扩容。
*/
private int threshold; // Default to 0

/**
* 阈值设置为长度的2/3
*/
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}

  2. Entry

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

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

    在ThreadLocalMap中，也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象，这点被Entry的构造方法已经限定死了； 另外，Entry继承WeakReference,使用弱引用，可以将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑，持有对ThreadLocal的弱引用，可以使得ThreadLocal在没有其他强引用的时候被回收掉，这样可以避免因为线程得不到销毁导致ThreadLocal对象无法被回收

  3. hash冲突的解决

    ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
//初始化table
table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY]; //16
//计算索引
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
//设置值
table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
size = 1;
//设置阈值
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

      & (INITIAL_CAPACITY - 1)
      ,这是取模的一种方式，对于2的幂取模，用此代替
      %(2^n)
      ，这也就是为啥容量必须为2的幂

    • firstKey.threadLocalHashCode
      ：

      private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
private static AtomicInteger nextHashCode =  new AtomicInteger();

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

      这里定义了一个AtomicInteger类型，每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT，

      HASH_INCREMENT = 0x61c88647
      ,这个值是32位整型上限2^32-1乘以黄金分割比例0.618....的值2654435769，用有符号整型表示就是-1640531527，去掉符号后16进制表示为0x61c88647，目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组
      Entry[] table
      中。

    • 线性探测法：

      该方法一次探测下一个地址，直到有空的地址后插入，若整个空间都找不到空余的地址，则产生溢出。假设当前table长度为16，也就是说如果计算出来key的hash值为14，如果table[14]上已经有值，并且其key与当前key不一致，那么就发生了hash冲突，这个时候将14加1得到15，取table[15]进行判断，这个时候如果还是冲突会回到0，取table[0],以此类推，直到可以插入。

      可以把table看成一个环形数组

      /**
* 获取环形数组的下一个索引
*/
private static int nextIndex(int i, int len) {
return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

/**
* 获取环形数组的上一个索引
*/
private static int prevIndex(int i, int len) {
return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}

    • ThreadLocalMap的set()：

      private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//计算索引
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
/**
* 根据获取到的索引进行循环，如果当前索引上的table[i]不为空，在没有return的情况下，
* 就使用nextIndex()获取下一个（线性探测法）。
*/
for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//table[i]上key不为空，并且和当前key相同，更新value
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
/**
* table[i]上的key为空，说明被回收了
* 这个时候table[i]可以重新使用，用新的key-value将其替换,并删除其他无效的entry
*/
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
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