關(guān)于Java多線程下 ThreadLocal 的應(yīng)用實例

ThreadLocal很容易讓人望文生義，想當(dāng)然地認(rèn)為是一個“本地線程” 。其實，ThreadLocal并不是一個 Thread，而是 Thread 的局部變量，也許把它命名為 ThreadLocalVariable更容易讓人理解一些。當(dāng)使用 ThreadLocal 維護變量時，ThreadLocal 為每個使用該變量的線程提供獨立的變量副本，所以每一個線程都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其它線程所對應(yīng)的副本。

首先，ThreadLocal 不是用來解決共享對象的多線程訪問問題的，一般情況下，通過ThreadLocal.set() 到線程中的對象是該線程自己使用的對象，其他線程是不需要訪問的，也訪問不到的。各個線程中訪問的是不同的對象。

另外，說ThreadLocal使得各線程能夠保持各自獨立的一個對象，并不是通過ThreadLocal.set()來實現(xiàn)的，而是通過每個線程中的new 對象 的操作來創(chuàng)建的對象，每個線程創(chuàng)建一個，不是什么對象的拷貝或副本。通過ThreadLocal.set()將這個新創(chuàng)建的對象的引用保存到各線程的自己的一個map中，每個線程都有這樣一個map，執(zhí)行ThreadLocal.get()時，各線程從自己的map中取出放進(jìn)去的對象，因此取出來的是各自自己線程中的對象，ThreadLocal實例是作為map的key來使用的。

如果ThreadLocal.set()進(jìn)去的東西本來就是多個線程共享的同一個對象，那么多個線程的ThreadLocal.get()取得的還是這個共享對象本身，還是有并發(fā)訪問問題。

JDK 5 以后提供了泛型支持，ThreadLocal 被定義為支持泛型：

public class ThreadLocal<T> extends Object

T 為線程局部變量的類型。該類定義了 4 個方法：

1） protected T initialValue()： 返回此線程局部變量的當(dāng)前線程的“初始值”。線程第一次使用 get() 方法訪問變量時將調(diào)用此方法，但如果線程之前調(diào)用了 set(T) 方法，則不會對該線程再調(diào)用 initialValue 方法。通常，此方法對每個線程最多調(diào)用一次，但如果在調(diào)用 get() 后又調(diào)用了 remove()，則可能再次調(diào)用此方法。 該實現(xiàn)返回 null；如果程序員希望線程局部變量具有 null 以外的值，則必須為 ThreadLocal 創(chuàng)建子類，并重寫此方法。通常將使用匿名內(nèi)部類完成此操作。

2）public T get()：返回此線程局部變量的當(dāng)前線程副本中的值。如果變量沒有用于當(dāng)前線程的值，則先將其初始化為調(diào)用 initialValue() 方法返回的值。

3）public void set(T value)：將此線程局部變量的當(dāng)前線程副本中的值設(shè)置為指定值。大部分子類不需要重寫此方法，它們只依靠 initialValue() 方法來設(shè)置線程局部變量的值。

4）public void remove()：移除此線程局部變量當(dāng)前線程的值。如果此線程局部變量隨后被當(dāng)前線程讀取，且這期間當(dāng)前線程沒有設(shè)置其值，則將調(diào)用其 initialValue() 方法重新初始化其值。這將導(dǎo)致在當(dāng)前線程多次調(diào)用 initialValue 方法。

下面是一個使用 ThreadLocal 的例子，每個線程產(chǎn)生自己獨立的序列號。就是使用ThreadLocal存儲每個線程獨立的序列號復(fù)本，線程之間互不干擾。

package sync; 
public class SequenceNumber { 
 // 定義匿名子類創(chuàng)建ThreadLocal的變量 
 private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() { 
 // 覆蓋初始化方法 
 public Integer initialValue() { 
 return 0; 
 } 
 }; 
 // 下一個序列號 
 public int getNextNum() { 
 seqNum.set(seqNum.get() + 1); 
 return seqNum.get(); 
 } 
 private static class TestClient extends Thread { 
 private SequenceNumber sn; 
 public TestClient(SequenceNumber sn) { 
 this.sn = sn; 
 } 
 // 線程產(chǎn)生序列號 
 public void run() { 
 for (int i = 0; i < 3; i++) { 
 System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] sn[" + sn.getNextNum() + "]"); 
 } 
 } 
 } 
 /** 
 * @param args 
 */ 
 public static void main(String[] args) { 
 SequenceNumber sn = new SequenceNumber(); 
 // 三個線程產(chǎn)生各自的序列號 
 TestClient t1 = new TestClient(sn); 
 TestClient t2 = new TestClient(sn); 
 TestClient t3 = new TestClient(sn); 
 t1.start(); 
 t2.start(); 
 t3.start(); 
 } 
}

程序的運行結(jié)果如下：

thread[Thread-1] sn[1] 
thread[Thread-1] sn[2] 
thread[Thread-1] sn[3] 
thread[Thread-2] sn[1] 
thread[Thread-2] sn[2] 
thread[Thread-2] sn[3] 
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-0] sn[2] 
thread[Thread-0] sn[3]

從運行結(jié)果可以看出，使用了 ThreadLocal 后，每個線程產(chǎn)生了獨立的序列號，沒有相互干擾。通常我們通過匿名內(nèi)部類的方式定義 ThreadLocal的子類，提供初始的變量值。

ThreadLocal和線程同步機制相比有什么優(yōu)勢呢？ThreadLocal和線程同步機制都是為了解決多線程中相同變量的訪問沖突問題。

在同步機制中，通過對象的鎖機制保證同一時間只有一個線程訪問變量。這時該變量是多個線程共享的，使用同步機制要求程序慎密地分析什么時候?qū)ψ兞窟M(jìn)行讀寫，什么時候需要鎖定某個對象，什么時候釋放對象鎖等繁雜的問題，程序設(shè)計和編寫難度相對較大。 而 ThreadLocal 則從另一個角度來解決多線程的并發(fā)訪問。ThreadLocal 會為每一個線程提供一個獨立的變量副本，從而隔離了多個線程對數(shù)據(jù)的訪問沖突。因為每一個線程都擁有自己的變量副本，從而也就沒有必要對該變量進(jìn)行同步了。ThreadLocal 提供了線程安全的共享對象，在編寫多線程代碼時，可以把不安全的變量封裝進(jìn) ThreadLocal。

概括起來說，對于多線程資源共享的問題，同步機制采用了“以時間換空間”的方式，而 ThreadLocal 采用了“以空間換時間”的方式。前者僅提供一份變量，讓不同的線程排隊訪問，而后者為每一個線程都提供了一份變量，因此可以同時訪問而互不影響。

需要注意的是 ThreadLocal 對象是一個本質(zhì)上存在風(fēng)險的工具，應(yīng)該在完全理解將要使用的線程模型之后，再去使用 ThreadLocal 對象。這就引出了線程池（thread pooling）的問題，線程池是一種線程重用技術(shù)，有了線程池就不必為每個任務(wù)創(chuàng)建新的線程，一個線程可能會多次使用，用于這種環(huán)境的任何 ThreadLocal 對象包含的都是最后使用該線程的代碼所設(shè)置的狀態(tài)，而不是在開始執(zhí)行新線程時所具有的未被初始化的狀態(tài)。 那么 ThreadLocal 是如何實現(xiàn)為每個線程保存獨立的變量的副本的呢？通過查看它的源代碼，我們會發(fā)現(xiàn)，是通過把當(dāng)前“線程對象”當(dāng)作鍵，變量作為值存儲在一個 Map 中。

private T setInitialValue() { 
 T value = initialValue(); 
 Thread t = Thread.currentThread(); 
 ThreadLocalMap map = getMap(t); 
 if (map != null) 
 map.set(this, value); 
 else 
 createMap(t, value); 
 return value; 
}

ThreadLocal不是用來解決對象共享訪問問題的，而主要是提供了保持對象的方法和避免參數(shù)傳遞的方便的對象訪問方式。歸納了兩點：

1、每個線程中都有一個自己的ThreadLocalMap類對象，可以將線程自己的對象保持到其中，各管各的，線程可以正確的訪問到自己的對象。

2、將一個共用的ThreadLocal靜態(tài)實例作為key，將不同對象的引用保存到不同線程的ThreadLocalMap中，然后在線程執(zhí)行的各處通過這個靜ThreadLocal實例的get()方法取得自己線程保存的那個對象，避免了將這個對象作為參數(shù)傳遞的麻煩。

Synchronized還是ThreadLocal?

ThreadLocal以空間換取時間，提供了一種非常簡便的多線程實現(xiàn)方式。因為多個線程并發(fā)訪問無需進(jìn)行等待，所以使用ThreadLocal 會獲得更大的性能。雖然使用ThreadLocal會帶來更多的內(nèi)存開銷，但這點開銷是微不足道的。因為保存在ThreadLocal中的對象，通常都是比較小的對象。另外使用ThreadLocal不能使用原子類型，只能使用Object類型。ThreadLocal的使用比synchronized要簡單得多。

ThreadLocal和Synchonized都用于解決多線程并發(fā)訪問。但是ThreadLocal與synchronized有本質(zhì)的區(qū)別。synchronized是利用鎖的機制，使變量或代碼塊在某一時該只能被一個線程訪問。而ThreadLocal為每一個線程都提供了變量的副本，使得每個線程在某一時間訪問到的并不是同一個對象，這樣就隔離了多個線程對數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)共享。而Synchronized卻正好相反，它用于在多個線程間通信時能夠獲得數(shù)據(jù)共享。

Synchronized用于線程間的數(shù)據(jù)共享，而ThreadLocal則用于線程間的數(shù)據(jù)隔離。

當(dāng)然ThreadLocal并不能替代synchronized,它們處理不同的問題域。Synchronized用于實現(xiàn)同步機制，比ThreadLocal更加復(fù)雜。