【高并發(fā)】ThreadLocal學(xué)會(huì)了這些，你也能和面試官扯皮了！
來自：冰河技術(shù)
前言
我們都知道，在多線程環(huán)境下訪問同一個(gè)共享變量，可能會(huì)出現(xiàn)線程安全的問題，為了保證線程安全，我們往往會(huì)在訪問這個(gè)共享變量的時(shí)候加鎖，以達(dá)到同步的效果，如下圖所示。
對(duì)共享變量加鎖雖然能夠保證線程的安全，但是卻增加了開發(fā)人員對(duì)鎖的使用技能，如果鎖使用不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致死鎖的問題。而ThreadLocal能夠做到在創(chuàng)建變量后，每個(gè)線程對(duì)變量訪問時(shí)訪問的是線程自己的本地變量。
什么是ThreadLocal？
ThreadLocal是JDK提供的，支持線程本地變量。也就是說，如果我們創(chuàng)建了一個(gè)ThreadLocal變量，則訪問這個(gè)變量的每個(gè)線程都會(huì)有這個(gè)變量的一個(gè)本地副本。如果多個(gè)線程同時(shí)對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行讀寫操作時(shí)，實(shí)際上操作的是線程自己本地內(nèi)存中的變量，從而避免了線程安全的問題。
ThreadLocal使用示例
例如，我們使用ThreadLocal保存并打印相關(guān)的變量信息，程序如下所示。
public class ThreadLocalTest {
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();
public static void main(String[] args){
//創(chuàng)建第一個(gè)線程
Thread threadA = new Thread(()->{
threadLocal.set("ThreadA：" + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("線程A本地變量中的值為：" + threadLocal.get());
});
//創(chuàng)建第二個(gè)線程
Thread threadB = new Thread(()->{
threadLocal.set("ThreadB：" + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("線程B本地變量中的值為：" + threadLocal.get());
});
//啟動(dòng)線程A和線程B
threadA.start();
threadB.start();
}
}
運(yùn)行程序，打印的結(jié)果信息如下所示。
線程A本地變量中的值為：ThreadA：Thread-0
線程B本地變量中的值為：ThreadB：Thread-1
此時(shí)，我們?yōu)榫€程A增加刪除ThreadLocal中的變量的操作，如下所示。
public class ThreadLocalTest {
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();
public static void main(String[] args){
//創(chuàng)建第一個(gè)線程
Thread threadA = new Thread(()->{
threadLocal.set("ThreadA：" + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("線程A本地變量中的值為：" + threadLocal.get());
threadLocal.remove();
System.out.println("線程A刪除本地變量后ThreadLocal中的值為：" + threadLocal.get());
});
//創(chuàng)建第二個(gè)線程
Thread threadB = new Thread(()->{
threadLocal.set("ThreadB：" + Thread.currentThread().getName());
System.out.println("線程B本地變量中的值為：" + threadLocal.get());
System.out.println("線程B沒有刪除本地變量：" + threadLocal.get());
});
//啟動(dòng)線程A和線程B
threadA.start();
threadB.start();
}
}
此時(shí)的運(yùn)行結(jié)果如下所示。
線程A本地變量中的值為：ThreadA：Thread-0
線程B本地變量中的值為：ThreadB：Thread-1
線程B沒有刪除本地變量：ThreadB：Thread-1
線程A刪除本地變量后ThreadLocal中的值為：null
通過上述程序我們可以看出，線程A和線程B存儲(chǔ)在ThreadLocal中的變量互不干擾，線程A存儲(chǔ)的變量只能由線程A訪問，線程B存儲(chǔ)的變量只能由線程B訪問。
ThreadLocal原理
首先，我們看下Thread類的源碼，如下所示。
public class Thread implements Runnable {
/***********省略N行代碼*************/
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
/***********省略N行代碼*************/
}
由Thread類的源碼可以看出，在ThreadLocal類中存在成員變量threadLocals和inheritableThreadLocals，這兩個(gè)成員變量都是ThreadLocalMap類型的變量，而且二者的初始值都為null。只有當(dāng)前線程第一次調(diào)用ThreadLocal的set()方法或者get()方法時(shí)才會(huì)實(shí)例化變量。
這里需要注意的是：每個(gè)線程的本地變量不是存放在ThreadLocal實(shí)例里面的，而是存放在調(diào)用線程的threadLocals變量里面的。也就是說，調(diào)用ThreadLocal的set()方法存儲(chǔ)的本地變量是存放在具體線程的內(nèi)存空間中的，而ThreadLocal類只是提供了set()和get()方法來存儲(chǔ)和讀取本地變量的值，當(dāng)調(diào)用ThreadLocal類的set()方法時(shí)，把要存儲(chǔ)的值放入調(diào)用線程的threadLocals中存儲(chǔ)起來，當(dāng)調(diào)用ThreadLocal類的get()方法時(shí)，從當(dāng)前線程的threadLocals變量中將存儲(chǔ)的值取出來。
接下來，我們分析下ThreadLocal類的set()、get()和remove()方法的實(shí)現(xiàn)邏輯。
set()方法
set()方法的源代碼如下所示。
public void set(T value) {
//獲取當(dāng)前線程
Thread t = Thread.currentThread();
//以當(dāng)前線程為Key，獲取ThreadLocalMap對(duì)象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
//獲取的ThreadLocalMap對(duì)象不為空
if (map != null)
//設(shè)置value的值
map.set(this, value);
else
//獲取的ThreadLocalMap對(duì)象為空，創(chuàng)建Thread類中的threadLocals變量
createMap(t, value);
}
在set()方法中，首先獲取調(diào)用set()方法的線程，接下來，使用當(dāng)前線程作為Key調(diào)用getMap(t)方法來獲取ThreadLocalMap對(duì)象，getMap(Thread t)的方法源碼如下所示。
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
可以看到，getMap(Thread t)方法獲取的是線程變量自身的threadLocals成員變量。
在set()方法中，如果調(diào)用getMap(t)方法返回的對(duì)象不為空，則把value值設(shè)置到Thread類的threadLocals成員變量中，而傳遞的key為當(dāng)前ThreadLocal的this對(duì)象，value就是通過set()方法傳遞的值。
如果調(diào)用getMap(t)方法返回的對(duì)象為空，則程序調(diào)用createMap(t, value)方法來實(shí)例化Thread類的threadLocals成員變量。
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
也就是創(chuàng)建當(dāng)前線程的threadLocals變量。
get()方法
get()方法的源代碼如下所示。
public T get() {
//獲取當(dāng)前線程
Thread t = Thread.currentThread();
//獲取當(dāng)前線程的threadLocals成員變量
ThreadLocalMap map = getMap(t);
//獲取的threadLocals變量不為空
if (map != null) {
//返回本地變量對(duì)應(yīng)的值
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//初始化threadLocals成員變量的值
return setInitialValue();
}
通過當(dāng)前線程來獲取threadLocals成員變量，如果threadLocals成員變量不為空，則直接返回當(dāng)前線程綁定的本地變量，否則調(diào)用setInitialValue()方法初始化threadLocals成員變量的值。
private T setInitialValue() {
//調(diào)用初始化Value的方法
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
//根據(jù)當(dāng)前線程獲取threadLocals成員變量
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
//threadLocals不為空，則設(shè)置value值
map.set(this, value);
else
//threadLocals為空,創(chuàng)建threadLocals變量
createMap(t, value);
return value;
}
其中，initialValue()方法的源碼如下所示。
protected T initialValue() {
return null;
}
通過initialValue()方法的源碼可以看出，這個(gè)方法可以由子類覆寫，在ThreadLocal類中，這個(gè)方法直接返回null。
remove()方法
remove()方法的源代碼如下所示。
public void remove() {
//根據(jù)當(dāng)前線程獲取threadLocals成員變量
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
//threadLocals成員變量不為空，則移除value值
m.remove(this);
}
remove()方法的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，首先根據(jù)當(dāng)前線程獲取threadLocals成員變量，不為空，則直接移除value的值。
注意：如果調(diào)用線程一致不終止，則本地變量會(huì)一直存放在調(diào)用線程的threadLocals成員變量中，所以，如果不需要使用本地變量時(shí)，可以通過調(diào)用ThreadLocal的remove()方法，將本地變量從當(dāng)前線程的threadLocals成員變量中刪除，以免出現(xiàn)內(nèi)存溢出的問題。
ThreadLocal變量不具有傳遞性
使用ThreadLocal存儲(chǔ)本地變量不具有傳遞性，也就是說，同一個(gè)ThreadLocal在父線程中設(shè)置值后，在子線程中是無法獲取到這個(gè)值的，這個(gè)現(xiàn)象說明ThreadLocal中存儲(chǔ)的本地變量不具有傳遞性。
接下來，我們來看一段代碼，如下所示。
public class ThreadLocalTest {
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();
public static void main(String[] args){
//在主線程中設(shè)置值
threadLocal.set("ThreadLocalTest");
//在子線程中獲取值
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("子線程獲取值：" + threadLocal.get());
}
});
//啟動(dòng)子線程
thread.start();
//在主線程中獲取值
System.out.println("主線程獲取值：" + threadLocal.get());
}
}
運(yùn)行這段代碼輸出的結(jié)果信息如下所示。
主線程獲取值：ThreadLocalTest
子線程獲取值：null
通過上述程序，我們可以看出在主線程中向ThreadLocal設(shè)置值后，在子線程中是無法獲取到這個(gè)值的。那有沒有辦法在子線程中獲取到主線程設(shè)置的值呢？此時(shí)，我們可以使用InheritableThreadLocal來解決這個(gè)問題。
InheritableThreadLocal使用示例
InheritableThreadLocal類繼承自ThreadLocal類，它能夠讓子線程訪問到在父線程中設(shè)置的本地變量的值，例如，我們將ThreadLocalTest類中的threadLocal靜態(tài)變量改寫成InheritableThreadLocal類的實(shí)例，如下所示。
public class ThreadLocalTest {
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new InheritableThreadLocal<String>();
public static void main(String[] args){
//在主線程中設(shè)置值
threadLocal.set("ThreadLocalTest");
//在子線程中獲取值
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("子線程獲取值：" + threadLocal.get());
}
});
//啟動(dòng)子線程
thread.start();
//在主線程中獲取值
System.out.println("主線程獲取值：" + threadLocal.get());
}
}
此時(shí)，運(yùn)行程序輸出的結(jié)果信息如下所示。
主線程獲取值：ThreadLocalTest
子線程獲取值：ThreadLocalTest
可以看到，使用InheritableThreadLocal類存儲(chǔ)本地變量時(shí)，子線程能夠獲取到父線程中設(shè)置的本地變量。
InheritableThreadLocal原理
首先，我們來看下InheritableThreadLocal類的源碼，如下所示。
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
protected T childValue(T parentValue) {
return parentValue;
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.inheritableThreadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
}
由InheritableThreadLocal類的源代碼可知，InheritableThreadLocal類繼承自ThreadLocal類，并且重寫了ThreadLocal類的childValue()方法、getMap()方法和createMap()方法。也就是說，當(dāng)調(diào)用ThreadLocal的set()方法時(shí)，創(chuàng)建的是當(dāng)前Thread線程的inheritableThreadLocals成員變量而不再是threadLocals成員變量。
這里，我們需要思考一個(gè)問題：InheritableThreadLocal類的childValue()方法是何時(shí)被調(diào)用的呢？這就需要我們來看下Thread類的構(gòu)造方法了，如下所示。
public Thread() {
init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
public Thread(Runnable target) {
init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
Thread(Runnable target, AccessControlContext acc) {
init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0, acc, false);
}
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target) {
init(group, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}
public Thread(String name) {
init(null, null, name, 0);
}
public Thread(ThreadGroup group, String name) {
init(group, null, name, 0);
}
public Thread(Runnable target, String name) {
init(null, target, name, 0);
}
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) {
init(group, target, name, 0);
}
public Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name,
long stackSize) {
init(group, target, name, stackSize);
}
可以看到，Thread類的構(gòu)造方法最終調(diào)用的是init()方法，那我們就來看下init()方法，如下所示。
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
long stackSize, AccessControlContext acc,
boolean inheritThreadLocals) {
/************省略部分源碼************/
if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
this.inheritableThreadLocals =
ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
/* Stash the specified stack size in case the VM cares */
this.stackSize = stackSize;
/* Set thread ID */
tid = nextThreadID();
}
可以看到，在init()方法中會(huì)判斷傳遞的inheritThreadLocals變量是否為true，同時(shí)父線程中的inheritableThreadLocals是否為null，如果傳遞的inheritThreadLocals變量為true，同時(shí)，父線程中的inheritableThreadLocals不為null，則調(diào)用ThreadLocal類的createInheritedMap()方法。
static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
return new ThreadLocalMap(parentMap);
}
在createInheritedMap()中，使用父線程的inheritableThreadLocals變量作為參數(shù)創(chuàng)建新的ThreadLocalMap對(duì)象。然后在Thread類的init()方法中會(huì)將這個(gè)ThreadLocalMap對(duì)象賦值給子線程的inheritableThreadLocals成員變量。
接下來，我們來看看ThreadLocalMap的構(gòu)造函數(shù)都干了啥，如下所示。
private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
Entry[] parentTable = parentMap.table;
int len = parentTable.length;
setThreshold(len);
table = new Entry[len];
for (int j = 0; j < len; j++) {
Entry e = parentTable[j];
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
if (key != null) {
//調(diào)用重寫的childValue方法
Object value = key.childValue(e.value);
Entry c = new Entry(key, value);
int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
while (table[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
table[h] = c;
size++;
}
}
}
}
在ThreadLocalMap的構(gòu)造函數(shù)中，調(diào)用了InheritableThreadLocal類重寫的childValue()方法。而InheritableThreadLocal類通過重寫getMap()方法和createMap()方法，讓本地變量保存到了Thread線程的inheritableThreadLocals變量中，線程通過InheritableThreadLocal類的set()方法和get()方法設(shè)置變量時(shí)，就會(huì)創(chuàng)建當(dāng)前線程的inheritableThreadLocals變量。此時(shí)，如果父線程創(chuàng)建子線程，在Thread類的構(gòu)造函數(shù)中會(huì)把父線程中的inheritableThreadLocals變量里面的本地變量復(fù)制一份保存到子線程的inheritableThreadLocals變量中。
最后，附上并發(fā)編程需要掌握的核心技能知識(shí)圖，祝大家在學(xué)習(xí)并發(fā)編程時(shí)，少走彎路。
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