Java多线程与并发之ThreadLocal
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ThreadLocal
1. ThreadLocal是什么？使用场景
ThreadLocal简介
ThreadLocal是线程本地变量，可以为多线程的并发问题提供一种解决方式，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，而不会影响其它线程所对应的副本。
ThreadLocal使用场景
多个线程去获取一个共享变量时，要求获取的是这个变量的初始值的副本。每个线程存储这个变量的副本，对这个变量副本的改变不去影响变量本身。适用于多个线程依赖不同变量值完成操作的场景。比如：
- 多数据源的切换
- spring声明式事务
2. ThreadLocal的使用案例
ThreadLocal类接口：
- void set(T value)：设置当前线程的线程局部变量的值
- T get()：获取当前线程所对应的线程局部变量
- void remove()：删除当前线程局部变量的值，目的是为了减少内存的占用
- T initialValue()：该线程局部变量的初始值(默认值为null)，该方法是一个protected的懒加载方法，线程第1次调用get()或set(T value)时才执行在，而且也是为了让子类覆盖而设计的。
public class ThreadLocalDemo { private static ThreadLocal index = new ThreadLocal(){ @Override protected Object initialValue() { return new Index(); } };
private static class Index{ private int num;
public void incr(){ num++; } }
public static void main(String[] args) { for(int i=0; i<5; i++){ new Thread(() ->{ Index local = index.get(); local.incr(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + index.get().num); }, "thread_" + i).start(); } } }
输出结果：
thread_1 1 thread_0 1 thread_3 1 thread_4 1 thread_2 1
可以看到每个线程的获取的初始值都是0，并且对num++的操作也互不影响
3.ThreadLocal如何实现的
3.1 ThreadLocal的数据结构
ThreadLocal内部维护的是一个类似Map的ThreadLocalMap数据结构，而每个Thread类，都有一个ThreadLocalMap成员变量。ThreadLocalMap将线程本地变量（ThreadLocal）作为key，线程变量的副本作为value，如图所示:
需要注意的是ThreadLocal中的Entry的key和value的关系有系统进行维护，若维护不当则可能导致多线程状态下的不安全（一般不会，至少需要注意）。
3.2 get()源码分析
public T get() { //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) { //如果ThreadLocalMap已经被创建了，那么通过当前的threadLocal对象作为key，获取value ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } //如果ThreadLocalMap还没有被创建或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素 return setInitialValue(); }
3.2.1 ThreadLocalMap没初始化
ThreadLocalMap没初始化，ThreadLocalMap为null时，会调用setInitialValue()方法:
private T setInitialValue() { //initialValue方法一般会被重写，不重写的话，直接返回null T value = initialValue(); Thread t = Thread.currentThread(); //获取当前线程的ThreadLocalMap ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) //ThreadLocalMap已经被创建，那么直接设置初始值（即保存变量副本），初始值来自initialValue方法 map.set(this, value); else //创建ThreadLocalMap createMap(t, value); return value; }
其中，initialValue()方法是由我们重写的，需要注意的是，返回值必须为new一个对象，而不是直接返回一个对象引用。因为如果多个线程都保存同一个引用的副本的话，那他们通过这个引用修改共享变量的值，是相互影响的。我们本来的目的便是为了获取共享变量的初始值副本，各个线程对副本的修改不影响变量本身。
再来看看createMap是如何创建threadLocalMap的
void createMap(Thread t, T firstValue) { t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); }
ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue) { //创建一个初始容量为16的Entry数组 table = new Entry[INITIAL_CAPACITY]; //通过threadLocal的threadLocalHashCode来定位在数组中的位置 int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1); //保存在数组中 table[i] = new Entry(firstKey, firstValue); //记录下已用的大小 size = 1; //设置阈值为容量的2/3 setThreshold(INITIAL_CAPACITY); }
3.2.2 初始化threadLocalMap
初始化threadLocalMap之后，此线程再次调用get()方法，又做了哪些操作呢
public T get() { //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) { //如果ThreadLocalMap已经被创建了，那么通过当前的threadLocal对象作为key，获取value ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } //如果ThreadLocalMap还没有被创建或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素 return setInitialValue(); }
可以看到是通过map.getEntry(this)去查找元素的
private Entry getEntry(ThreadLocal key) { int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); Entry e = table[i]; if (e != null && e.get() == key) return e; else //如果定位的元素的key与传入的key不相等，那么一直往后找 return getEntryAfterMiss(key, i, e); }
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) { Entry[] tab = table; int len = tab.length;
while (e != null) { ThreadLocal k = e.get(); if (k == key) return e; if (k == null) //将过期的key清除掉，并把后面的元素（移动过位置的）往前移 expungeStaleEntry(i); else //往后移一位 i = nextIndex(i, len); e = tab[i]; } return null; }
private static int nextIndex(int i, int len) { return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0); }
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) { Entry[] tab = table; int len = tab.length;
// 清除当前元素 tab[staleSlot].value = null; tab[staleSlot] = null; size--;
//将此元素后面的，因为hash冲突移动过位置的元素往前移 Entry e; int i; for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) { ThreadLocal k = e.get(); if (k == null) { e.value = null; tab[i] = null; size--; } else { int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1); //h != i说明有过hash冲突 if (h != i) { tab[i] = null;
// Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until // null because multiple entries could have been stale. while (tab[h] != null) h = nextIndex(h, len); tab[h] = e; } } } return i; }
如果map.getEntry(this)也找不到元素怎么办？
public T get() { //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) { //如果ThreadLocalMap已经被创建了，那么通过当前的threadLocal对象作为key，获取value ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } //如果ThreadLocalMap还没有被创建或者在ThreadLocalMap中查找不到此元素 return setInitialValue(); }
那么继续调用setInitialValue()方法
private T setInitialValue() { //initialValue方法一般会被重写，不重写的话，直接返回null T value = initialValue(); Thread t = Thread.currentThread(); //获取当前线程的ThreadLocalMap ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) //ThreadLocalMap已经被创建，那么直接设置初始值（即保存变量副本），初始值来自initialValue方法 map.set(this, value); else //创建ThreadLocalMap createMap(t, value); return value; }
可以看到将会调用它里面的map.set(this, value)方法
private void set(ThreadLocal key, Object value) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { ThreadLocal k = e.get();
if (k == key) { e.value = value; return; }
if (k == null) { //替代过期的元素，并清除后面的一些过期元素 replaceStaleEntry(key, value, i); return; } }
//如果在table中确实找不到，那么新建一个 tab[i] = new Entry(key, value); int sz = ++size; if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) //如果没有元素被清除，且超过阈值，那么扩容并重新hash定位 rehash(); }
3.3 set()源码分析
在看看set()方式处理与setInitialValue类似，少了获取初始化值，其他都相同，可参考get()方式中
ThreadLocalMap没初始化方式
:
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); }
3.4 总结
-
首先判断当前线程的threadLocalMap是否存在，若不存在则创建一个。将ThreadLocal作为key，共享变量初始值的副本作为value，保存在threadLocalMap中
- 若threadLocalMap存在，那么将ThreadLocal作为key，通过hash散列定位在数组中的位置，查找value
- 如果在threadLocalMap中找不到（原因：被删除了，或者此ThreaLocal没有加入到threadLocalMap，毕竟threadLocalMap可以存放多个threadLocal），那么将ThreadLocal作为key，共享变量初始值的副本作为value，保存在threadLocalMap中
- 在set的过程中，如果当前位置有其他元素（即hash冲突），那么往后找，直到不存在其他元素。并且在set的过程中会清除一些过期（key为null）的元素。最后将根据size大小，决定是否扩容，重新hash定位。
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