java多線程中線程封閉的示例分析

這篇文章主要介紹了java多線程中線程封閉的示例分析，具有一定借鑒價值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

線程封閉的概念

訪問共享變量時，通常要使用同步，所以避免使用同步的方法就是減少共享數(shù)據(jù)的使用，這種技術就是線程封閉。

實現(xiàn)線程封閉的方法

1：ad-hoc線程封閉

這是完全靠實現(xiàn)者控制的線程封閉，他的線程封閉完全靠實現(xiàn)者實現(xiàn)。也是最糟糕的一種線程封閉。所以我們直接把他忽略掉吧。

2：棧封閉

棧封閉是我們編程當中遇到的最多的線程封閉。什么是棧封閉呢？簡單的說就是局部變量。多個線程訪問一個方法，此方法中的局部變量都會被拷貝一分兒到線程棧中。所以局部變量是不被多個線程所共享的，也就不會出現(xiàn)并發(fā)問題。所以能用局部變量就別用全局的變量，全局變量容易引起并發(fā)問題。

3：ThreadLocal封閉

使用ThreadLocal是實現(xiàn)線程封閉的最好方法，有興趣的朋友可以研究一下ThreadLocal的源碼，其實我們可以理解ThreadLocal內(nèi)部維護了一個Map，Map的key是每個線程的名稱，而Map的值就是我們要封閉的對象。每個線程中的對象都對應著Map中一個值，也就是ThreadLocal利用Map實現(xiàn)了對象的線程封閉。

線程封閉詳解

線程封閉：當訪問共享的可變數(shù)據(jù)時，通常需要同步。一種避免同步的方式就是不共享數(shù)據(jù)。如果僅在單線程內(nèi)訪問數(shù)據(jù)，就不需要同步，這種技術稱為線程封閉（thread confinement）

線程封閉技術一個常見的應用就是JDBC的Connection對象，JDBC規(guī)范并沒有要求Connection對象必須是線程安全的，在服務器應用程序中，線程從連接池獲取一個Connection對象，使用完之后將對象返還給連接池。下面介紹幾種線程封閉技術：

1、Ad-hoc線程封閉

Ad-hoc線程封閉是指，維護線程的封閉性的職責完全由程序實現(xiàn)承擔，是非常脆弱的，因此在程序中盡量少使用，一般使用更強的線程封閉技術，比如棧封閉或者ThreadLocal類。

2、棧封閉　　

棧封閉是線程封閉的一種特列，在棧封閉中，只能通過局部變量才能訪問對象。局部變量的固有屬性之一就是封閉在執(zhí)行棧中，其他線程無法訪問這個棧，棧封閉也稱為線程內(nèi)部使用或者線程局部使用。簡單的說就是局部變量。多個線程訪問一個方法，此方法中的局部變量都會被拷貝一分兒到線程棧中。所以局部變量是不被多個線程所共享的，也就不會出現(xiàn)并發(fā)問題。所以能用局部變量就別用全局的變量，全局變量容易引起并發(fā)問題。

比如下面的例子：

public int loadTheArk(Collection<Animal> candidates) { 
    SortedSet<Animal> animals; 
    int numPairs = 0; 
    Animal candidate = null; 
     
    //animals被封裝在方法中，不要使它們溢出 
    animals = new TreeSet<Animal>(new SpeciesGenderComparator()); 
    animals.addAll(candidates); 
    for(Animal a:animals){ 
      if(candidate==null || !candidate.isPotentialMate(a)){ 
        candidate = a; 
      }else{ 
        ark.load(new AnimalPair(candidate,a)); 
        ++numPairs; 
        candidate = null; 
      } 
    } 
    return numPairs; 
｝

在loadTheArk中實例化一個TreeSet對象，并將該對象的一個引用保存到animals中。此時，只有一個引用指向集合animals，這個引用被封閉到局部變量中，因此也被封閉到局部變量中。然而，如果發(fā)布了對集合animals（或者該對象中的任何內(nèi)部數(shù)據(jù)）的引用，那么封閉性將被破壞，并導致對象animals的逸出。

3、ThreadLocal類

維持線程封閉性的一種更加規(guī)范方法是使用ThreadLocal類，這個類能使線程中某個值與保存值的對象關聯(lián)起來。ThreadLocal類提供了get和set等訪問接口或者方法，這些方法為每個使用該變量的線程都存在一份獨立的副本，因此get總是放回當前執(zhí)行線程在調(diào)用set設置的最新值。看一下下面代碼例子：

public class ConnectionManager {  
  private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() { 
    public Connection initialValue() { 
      Connection conn = null; 
      try { 
        conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username", "password"); 
      } catch (SQLException e) { 
        e.printStackTrace(); 
      } 
      return conn; 
    } 
  }; 
 
  public static Connection getConnection() { 
    return connectionHolder.get(); 
  } 
 
  public static void setConnection(Connection conn) { 
    connectionHolder.set(conn); 
  } 
}

通過調(diào)用ConnectionManager.getConnection()方法，每個線程獲取到的，都是自己獨立擁有的一個的Connection對象副本，第一次獲取時，是通過initialValue()方法的返回值來設置值的。通過ConnectionManager.setConnection(Connection conn)方法設置的Connection對象，也只會和當前線程綁定。這樣就實現(xiàn)了Connection對象在多個線程中的完全隔離。在Spring容器中管理多線程環(huán)境下的Connection對象時，采用的思路和以上代碼非常相似。

每個線程是怎么和Connection對象副本綁定的？這個對象副本保存在哪里。當某個線程初次調(diào)用ThreadLocal類的get方法時，就會調(diào)用initialValue來獲取初始值，從概念上看，我們可以將ThreadLocal<T>視為包含了Map<thread, T>對象，其中保存了特定于該線程的值，但是ThreadLocal的實現(xiàn)并非如此，這樣只是為了我們方便理解而已。

下面我們來分析一下ThreadLocal類的源碼。ThreadLocal類的方法很簡單，只有四個,分別為set，get，remove, initialValue,從字面上我們也能理解這些方法的作用。

public T get()：返回當前線程所對應的局部變量。

public void set(T arg0)：設置當前線程局部變量的值?！　?/p>

public void remove()：將當前線程局部變量的值刪除，目的是為了減少內(nèi)存的占用，該方法是JDK 5.0新增的方法。注意，當線程結束后，對應該線程的局部變量將自動被垃圾回收，所以顯式調(diào)用該方法清除線程的局部變量并不是必須的操作，但它可以加快內(nèi)存回收的速度。

protected T initialValue()： 對當線程局部變量進行初始化，并返回該初始值。是protected 屬性，顯然是讓子類進行對其覆蓋重寫的，只有第一次調(diào)用set和get方法時才調(diào)用?！　?/p>

下面我們對這四個方法的源碼進行分析，看看ThreadLocal類是如何實現(xiàn)這種“為每個線程提供不同的變量拷貝”。

3.1 set方法

以下是set方法的源碼

public void set(T arg0) {
    Thread arg1 = Thread.currentThread();
    ThreadLocal.ThreadLocalMap arg2 = this.getMap(arg1);
    if (arg2 != null) {
      arg2.set(this, arg0);
    } else {
      this.createMap(arg1, arg0);
    }

  }

從set方法中可以看到，首先獲取當前線程：Thread arg1 = Thread.currentThread();

再獲取當前線程的ThreadLocalMap：ThreadLocal.ThreadLocalMap arg2 = this.getMap(arg1);

判斷ThreadLocalMap是否為空，不為空，則以鍵值對的形式設置值，key為this,value就是局部變量的副本，this是當前線程持有的ThreadLocal類實例化對象。

假如為空，則通過createMap方法創(chuàng)建。

我們看下getMap和createMap方法的源碼：

ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread arg0) {
    return arg0.threadLocals;
}


void createMap(Thread arg0, T arg1) {
    arg0.threadLocals = new ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, arg1);
  
}

從代碼上已經(jīng)寫的非常清楚，每個線程都有自己的局部變量的副本，該副本是存在ThreadLocalMap 中，其中鍵值就是ThreadLocal類實例化對象。也就是說每個線程都擁有自己的ThreadLocalMap，ThreadLocalMap保存的就是局部變量副本。我們看一下java.lang.Thread源碼。

private static int threadInitNumber;
ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

3.2 get方法

public T get() {
    Thread arg0 = Thread.currentThread();
    ThreadLocal.ThreadLocalMap arg1 = this.getMap(arg0);
    if (arg1 != null) {
      ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry arg2 = arg1.getEntry(this);
      if (arg2 != null) {
        Object arg3 = arg2.value;
        return arg3;
      }
    }

    return this.setInitialValue();
}

從代碼上看，前兩步和set方法是一個樣的，分別獲取當前線程和當前線程的ThreadLocalMap，第三步判斷ThreadLocalMap是否為空，不為空根據(jù)this鍵值獲取value，為空調(diào)用setInitialValue()方法。

以下是setInitialValue方法代碼：

private T setInitialValue() {
    Object arg0 = this.initialValue();
    Thread arg1 = Thread.currentThread();
    ThreadLocal.ThreadLocalMap arg2 = this.getMap(arg1);
    if (arg2 != null) {
      arg2.set(this, arg0);
    } else {
      this.createMap(arg1, arg0);
    }

    return arg0;
}

在setInitialValue里調(diào)用了initialValue()方法，也就是子類要重寫覆蓋的方法，對應上面的例子的代碼是：

protected Connection initialValue() { 
      Connection conn = null; 
      try { 
        conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username", "password"); 
      } catch (SQLException e) { 
        e.printStackTrace(); 
      } 
      return conn; 
}

然后獲取當前線程和當前線程的ThreadLocalMap，ThreadLocalMap為空則調(diào)用createMap，否則調(diào)用set方法。

3.3 總結

ThreadLocalMap對象是以this指向的ThreadLocal對象為鍵進行查找的，這當然和前面set()方法的代碼是相呼應的。

進一步地，我們可以創(chuàng)建不同的ThreadLocal實例來實現(xiàn)多個變量在不同線程間的訪問隔離，為什么可以這么做？因為不同的ThreadLocal對象作為不同鍵，當然也可以在線程的ThreadLocalMap對象中設置不同的值了。通過ThreadLocal對象，在多線程中共享一個值和多個值的區(qū)別，就像你在一個HashMap對象中存儲一個鍵值對和多個鍵值對一樣，僅此而已。

也就說，每個線程都有一個ThreadLocalMap，該線程訪問到某個局部變量，且該局部變量是用ThreadLocal類進行聲明時，該線程就會new ThreadLocal(),然后將該ThreadLocal類的對象作為key值，所對應的局部變量作為value值保存到ThreadLocalMap中。當線程訪問多個ThreadLocal類進行聲明局部變量時，在ThreadLocalMap中就有多個鍵值對。而每個線程都有自己的ThreadLocalMap，從而達到隔離的目的了。

當某個線程終止后，該線程里的ThreadLocalMap也被回收了，所以完全不用擔心內(nèi)存泄漏的問題。

假如多線程訪問的對象實例是單例的，或者說只能創(chuàng)建一個，那就老老實實的使用同步機制(synchronized)了.

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