Java多線程 ThreadLocal原理解析
1、什么是ThreadLocal變量
ThreadLoal
變量,線程局部變量,同一個(gè) ThreadLocal
所包含的對(duì)象,在不同的 Thread
中有不同的副本。
這里有幾點(diǎn)需要注意:
- 因?yàn)槊總€(gè)
Thread
內(nèi)有自己的實(shí)例副本,且該副本只能由當(dāng)前Thread
使用。這是也是ThreadLocal
命名的由來(lái)。 - 既然每個(gè)
Thread
有自己的實(shí)例副本,且其它Thread
不可訪問(wèn),那就不存在多線程間共享的問(wèn)題。
ThreadLocal
提供了線程本地的實(shí)例。它與普通變量的區(qū)別在于,每個(gè)使用該變量的線程都會(huì)初始化一個(gè)完全獨(dú)立的實(shí)例副本。ThreadLocal
變量通常被private static
修飾。當(dāng)一個(gè)線程結(jié)束時(shí),它所使用的所有 ThreadLocal
相對(duì)的實(shí)例副本都可被回收。
總的來(lái)說(shuō),ThreadLocal
適用于每個(gè)線程需要自己獨(dú)立的實(shí)例且該實(shí)例需要在多個(gè)方法中被使用,也即變量在線程間隔離而在方法或類(lèi)間共享的場(chǎng)景。
2、ThreadLocal實(shí)現(xiàn)原理
首先 ThreadLocal
是一個(gè)泛型類(lèi),保證可以接受任何類(lèi)型的對(duì)象。
因?yàn)橐粋€(gè)線程內(nèi)可以存在多個(gè) ThreadLocal
對(duì)象,所以其實(shí)是 ThreadLocal
內(nèi)部維護(hù)了一個(gè) Map ,這個(gè) Map 不是直接使用的 HashMap
,而是 ThreadLocal
實(shí)現(xiàn)的一個(gè)叫做 ThreadLocalMap
的靜態(tài)內(nèi)部類(lèi)。而我們使用的 get()
、set()
方法其實(shí)都是調(diào)用了這個(gè)ThreadLocalMap
類(lèi)對(duì)應(yīng)的 get()
、set()
方法。
例如下面的 set 方法:
public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) map.set(this, value); else createMap(t, value); }
get方法:
public T get() { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } return setInitialValue(); }
createMap方法:
void createMap(Thread t, T firstValue) { t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); }
ThreadLocalMap是個(gè)靜態(tài)的內(nèi)部類(lèi):
static class ThreadLocalMap { /** * The entries in this hash map extend WeakReference, using * its main ref field as the key (which is always a * ThreadLocal object). Note that null keys (i.e. entry.get() * == null) mean that the key is no longer referenced, so the * entry can be expunged from table. Such entries are referred to * as "stale entries" in the code that follows. */ static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { /** The value associated with this ThreadLocal. */ Object value; Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super(k); value = v; } } /** * The initial capacity -- MUST be a power of two. */ private static final int INITIAL_CAPACITY = 16; /** * The table, resized as necessary. * table.length MUST always be a power of two. */ private Entry[] table; /** * The number of entries in the table. */ private int size = 0; /** * The next size value at which to resize. */ private int threshold; // Default to 0 /** * Set the resize threshold to maintain at worst a 2/3 load factor. */ private void setThreshold(int len) { threshold = len * 2 / 3; } /** * Increment i modulo len. */ private static int nextIndex(int i, int len) { return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0); } /** * Decrement i modulo len. */ private static int prevIndex(int i, int len) { return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1); } /** * Construct a new map initially containing (firstKey, firstValue). * ThreadLocalMaps are constructed lazily, so we only create * one when we have at least one entry to put in it. */ 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); } ... }
最終的變量是放在了當(dāng)前線程的 ThreadLocalMap
中,并不是存在 ThreadLocal
上,ThreadLocal
可以理解為只是ThreadLocalMap
的封裝,傳遞了變量值。
3、內(nèi)存泄漏問(wèn)題
實(shí)際上 ThreadLocalMap
中使用的 key 為 ThreadLocal
的弱引用,弱引用的特點(diǎn)是,如果這個(gè)對(duì)象只存在弱引用,那么在下一次垃圾回收的時(shí)候必然會(huì)被清理掉。
所以如果 ThreadLocal
沒(méi)有被外部強(qiáng)引用的情況下,在垃圾回收的時(shí)候會(huì)被清理掉的,這樣一來(lái) ThreadLocalMap
中使用這個(gè) ThreadLocal 的 key 也會(huì)被清理掉。但是,value 是強(qiáng)引用,不會(huì)被清理,這樣一來(lái)就會(huì)出現(xiàn) key 為 null 的 value。
ThreadLocalMap
實(shí)現(xiàn)中已經(jīng)考慮了這種情況,在調(diào)用 set()
、get()
、remove()
方法的時(shí)候,會(huì)清理掉 key 為 null 的記錄。如果說(shuō)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏,那只有在出現(xiàn)了 key 為 null 的記錄后,沒(méi)有手動(dòng)調(diào)用 remove()
方法,并且之后也不再調(diào)用 get()
、set()
、remove()
方法的情況下。
4、使用場(chǎng)景
如上文所述,ThreadLocal
適用于如下兩種場(chǎng)景
每個(gè)線程需要有自己?jiǎn)为?dú)的實(shí)例
實(shí)例需要在多個(gè)方法中共享,但不希望被多線程共享
對(duì)于第一點(diǎn),每個(gè)線程擁有自己實(shí)例,實(shí)現(xiàn)它的方式很多。例如可以在線程內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)單獨(dú)的實(shí)例。ThreadLoca
可以以非常方便的形式滿足該需求。
對(duì)于第二點(diǎn),可以在滿足第一點(diǎn)(每個(gè)線程有自己的實(shí)例)的條件下,通過(guò)方法間引用傳遞的形式實(shí)現(xiàn)。ThreadLocal
使得代碼耦合度更低,且實(shí)現(xiàn)更優(yōu)雅。
1)存儲(chǔ)用戶Session
一個(gè)簡(jiǎn)單的用ThreadLocal來(lái)存儲(chǔ)Session的例子:
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; }
2)解決線程安全的問(wèn)題
比如Java7中的SimpleDateFormat不是線程安全的,可以用ThreadLocal來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題:
public class DateUtil { private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> format1 = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() { @Override protected SimpleDateFormat initialValue() { return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"); } }; public static String formatDate(Date date) { return format1.get().format(date); } }
這里的DateUtil.formatDate()就是線程安全的了。(Java8里的 [java.time.format.DateTimeFormatter]
(http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/time/format/DateTimeFormatter.html) 是線程安全的,Joda time里的DateTimeFormat也是線程安全的)。
public class Context { private String name; private String cardId; public String getCardId() { return cardId; } public void setCardId(String cardId) { this.cardId = cardId; } public String getName() { return this.name; } public void setName(String name) { this.name = name; } }
public class ExecutionTask implements Runnable { private QueryFromDBAction queryAction = new QueryFromDBAction(); private QueryFromHttpAction httpAction = new QueryFromHttpAction(); @Override public void run() { final Context context = new Context(); queryAction.execute(context); System.out.println("The name query successful"); httpAction.execute(context); System.out.println("The cardId query successful"); System.out.println("The Name is " + context.getName() + " and CardId " + context.getCardId()); } }
public class QueryFromDBAction { public void execute(Context context) { try { Thread.sleep(1000L); String name = "Jack " + Thread.currentThread().getName(); context.setName(name); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } public void execute(Context context) { String name = context.getName(); String cardId = getCardId(name); context.setCardId(cardId); } private String getCardId(String name) { try { Thread.sleep(1000L); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "444555" + Thread.currentThread().getId(); } }
public class ContextTest { public static void main(String[] args) { IntStream.range(1, 5) .forEach(i -> new Thread(new ExecutionTask()).start() ); } }
The name query successful
The name query successful
The name query successful
The name query successful
The cardId query successful
The Name is Jack Thread-0 and CardId 44455511
The cardId query successful
The Name is Jack Thread-1 and CardId 44455512
The cardId query successful
The Name is Jack Thread-2 and CardId 44455513
The cardId query successful
The Name is Jack Thread-3 and CardId 44455514
問(wèn)題:需要在每個(gè)調(diào)用Context的方法中傳入進(jìn)去
public void execute(Context context) { }
3)使用ThreadLocal重新設(shè)計(jì)一個(gè)上下文設(shè)計(jì)模式
public final class ActionContext { private static final ThreadLocal<Context> threadLocal = new ThreadLocal() { @Override protected Object initialValue() { return new Context(); } }; public static ActionContext getActionContext() { return ContextHolder.actionContext; } public Context getContext() { return threadLocal.get(); } private static class ContextHolder { private final static ActionContext actionContext = new ActionContext(); } }
public class Context { private String name; private String cardId; public String getCardId() { return cardId; } public void setCardId(String cardId) { this.cardId = cardId; } public String getName() { return this.name; } public void setName(String name) { this.name = name; } }
public class ExecutionTask implements Runnable { private QueryFromDBAction queryAction = new QueryFromDBAction(); private QueryFromHttpAction httpAction = new QueryFromHttpAction(); @Override public void run() { queryAction.execute(); System.out.println("The name query successful"); httpAction.execute(); System.out.println("The cardId query successful"); final Context context = ActionContext.getActionContext().getContext(); System.out.println("The Name is " + context.getName() + " and CardId " + context.getCardId()); } }
public class QueryFromDBAction { public void execute() { try { Thread.sleep(1000L); String name = "Jack " + Thread.currentThread().getName(); ActionContext.getActionContext().getContext().setName(name); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
public class QueryFromHttpAction {
public void execute() { Context context = ActionContext.getActionContext().getContext(); String name = context.getName(); String cardId = getCardId(name); context.setCardId(cardId); } private String getCardId(String name) { try { Thread.sleep(1000L); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "444555" + Thread.currentThread().getId(); } }
public class ContextTest { public static void main(String[] args) { IntStream.range(1, 5) .forEach(i -> new Thread(new ExecutionTask()).start() ); } }
The name query successful
The name query successful
The name query successful
The name query successful
The cardId query successful
The Name is Jack Thread-3 and CardId 44455514
The cardId query successful
The cardId query successful
The Name is Jack Thread-0 and CardId 44455511
The cardId query successful
The Name is Jack Thread-2 and CardId 44455513
The Name is Jack Thread-1 and CardId 44455512
這樣寫(xiě) 執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)看到context的定義和聲明
注意:在使用之前記得將上個(gè)線程中context舊值清除調(diào),否則會(huì)重復(fù)調(diào)用(比如線程池操作)
4)ThreadLocal注意事項(xiàng)
臟數(shù)據(jù)
線程復(fù)用會(huì)產(chǎn)生臟數(shù)據(jù)。由于結(jié)程池會(huì)重用Thread
對(duì)象,那么與Thread綁定的類(lèi)的靜態(tài)屬性ThreadLocal
變量也會(huì)被重用。如果在實(shí)現(xiàn)的線程run()
方法體中不顯式地調(diào)用remove()
清理與線程相關(guān)的ThreadLocal
信息,那么倘若下一個(gè)結(jié)程不調(diào)用set()
設(shè)置初始值,就可能get()
到重用的線程信息,包括 ThreadLocal
所關(guān)聯(lián)的線程對(duì)象的value值。
內(nèi)存泄漏
通常我們會(huì)使用使用static
關(guān)鍵字來(lái)修飾ThreadLocal
(這也是在源碼注釋中所推薦的)。在此場(chǎng)景下,其生命周期就不會(huì)隨著線程結(jié)束而結(jié)束,寄希望于ThreadLocal
對(duì)象失去引用后,觸發(fā)弱引用機(jī)制來(lái)回收Entry
的Value
就不現(xiàn)實(shí)了。如果不進(jìn)行remove()
操作,那么這個(gè)線程執(zhí)行完成后,通過(guò)ThreadLocal
對(duì)象持有的對(duì)象是不會(huì)被釋放的。
以上兩個(gè)問(wèn)題的解決辦法很簡(jiǎn)單,就是在每次用完ThreadLocal時(shí), 必須要及時(shí)調(diào)用 remove()
方法清理。
父子線程共享線程變量
很多場(chǎng)景下通過(guò)ThreadLocal
來(lái)透?jìng)魅稚舷挛模瑫?huì)發(fā)現(xiàn)子線程的value和主線程不一致。比如用ThreadLocal
來(lái)存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的某個(gè)標(biāo)記位,暫且命名為traceId
。某次請(qǐng)求下所有的traceld
都是一致的,以獲得可以統(tǒng)一解析的日志文件。但在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)子線程里的traceld
為null,跟主線程的并不一致。這就需要使用InheritableThreadLocal
來(lái)解決父子線程之間共享線程變量的問(wèn)題,使整個(gè)連接過(guò)程中的traceId
一致。
到此這篇關(guān)于Java多線程 ThreadLocal原理解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java多線程 ThreadLocal內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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