深入理解ThreadLocal

深情以改

1891人浏览 · 2022-06-29 16:48:55

深情以改 · 2022-06-29 16:48:55 发布

一、ThreadLocal

ThreadLocal叫做线程变量，意思是ThreadLocal中填充的变量属于当前线程，该变量对其他线程而言是隔离的

因为每个 Thread 内有自己的实例副本，且该副本只能由当前 Thread 使用。这是也是 ThreadLocal 命名的由来。
既然每个 Thread 有自己的实例副本，且其它 Thread 不可访问，那就不存在多线程间共享的问题。

ThreadLocal 提供了线程本地的实例。它与普通变量的区别在于，每个使用该变量的线程都会初始化一个完全独立的实例副本。ThreadLocal 变量通常被private static修饰。当一个线程结束时，它所使用的所有 ThreadLocal 相对的实例副本都可被回收。
在这里插入图片描述

public class SequenceNumber {
        //①通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
	private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>(){
		public Integer initialValue(){
			return 0;
		}
	};
     
        //②获取下一个序列值
	public int getNextNum(){
		seqNum.set(seqNum.get()+1);
		return seqNum.get();
	}
	
	public static void main(String[ ] args) 
	{
          SequenceNumber sn = new SequenceNumber();
         
         //③ 3个线程共享sn，各自产生序列号
         TestClient t1 = new TestClient(sn);  
         TestClient t2 = new TestClient(sn);
         TestClient t3 = new TestClient(sn);
         t1.start();
         t2.start();
         t3.start();
	}	
	private static class TestClient extends Thread
	{
		private SequenceNumber sn;
		public TestClient(SequenceNumber sn) {
			this.sn = sn;
		}
		public void run() {
           //④每个线程打出3个序列值
			for (int i = 0; i < 3; i++) {
			System.out.println("thread["+Thread.currentThread().getName()+ "] sn["+sn.getNextNum()+"]");
			}
		}
	}
}

二、ThreadLocal与Synchronized的区别

ThreadLocal其实是与线程绑定的一个变量。ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。

但是ThreadLocal与synchronized有本质的区别：
1、Synchronized用于线程间的数据共享，而ThreadLocal则用于线程间的数据隔离。

2、Synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问。而ThreadLocal为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。

而Synchronized却正好相反，它用于在多个线程间通信时能够获得数据共享。
一句话理解ThreadLocal，threadlocl是作为当前线程中属性ThreadLocalMap集合中的某一个Entry的key值Entry（threadlocl,value），虽然不同的线程之间threadlocal这个key值是一样，但是不同的线程所拥有的ThreadLocalMap是独一无二的，也就是不同的线程间同一个ThreadLocal（key）对应存储的值(value)不一样，从而到达了线程间变量隔离的目的，但是在同一个线程中这个value变量地址是一样的。

三、ThreadLocal核心方法

ThreadLocal中set方法

	ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
	
    public void set(T value) {
   		//返回对当前执行的线程对象的引用。
        Thread t = Thread.currentThread();
        //获取与ThreadLocal关联的映射,InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> 重写了getMap()方法
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
        //InheritableThreadLocal中重写了createMap->初始化当前线程的ThreadLocalMap->ThreadLocal.ThreadLocalMap
            createMap(t, value);
    }

ThreadLocal中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;
            }
        }
        //返回初始化的值null
        return setInitialValue();
    }

ThreadLocal中remove方法

 public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);

remove方法，直接将ThrealLocal 对应的值从当前相差Thread中的ThreadLocalMap中删除。为什么要删除，这涉及到内存泄露的问题。

ThreadLocal中initialValue方法

     protected T initialValue() {
        return null;
    }

返回该线程局部变量的初始值，若使用protected限制父类的方法，则该方法仅父类和子类内部（即定义父类和子类的代码中）可以调用，所以这个方法显然是为了子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

Entry

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部静态类，而它的构成主要是用Entry来保存数据，而且还是继承的弱引用，因此当value=null时意味着该键不再被引用可以被垃圾回收。在Entry内部使用ThreadLocal作为key，

        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }

在这里插入图片描述
实际上 ThreadLocalMap 中使用的 key 为 ThreadLocal 的弱引用，弱引用的特点是，如果这个对象只存在弱引用，那么在下一次垃圾回收的时候必然会被清理掉。

所以如果 ThreadLocal 没有被外部强引用的情况下，在垃圾回收的时候会被清理掉的，这样一来 ThreadLocalMap中使用这个 ThreadLocal 的 key 也会被清理掉。但是，value 是强引用，不会被清理，这样一来就会出现 key 为 null 的 value。

ThreadLocal其实是与线程绑定的一个变量，如此就会出现一个问题：如果没有将ThreadLocal内的变量删除（remove）或替换，它的生命周期将会与线程共存。通常线程池中对线程管理都是采用线程复用的方法，在线程池中线程很难结束甚至于永远不会结束，这将意味着线程持续的时间将不可预测，甚至与JVM的生命周期一致。举个例字，如果ThreadLocal中直接或间接包装了集合类或复杂对象，每次在同一个ThreadLocal中取出对象后，再对内容做操作，那么内部的集合类和复杂对象所占用的空间可能会开始持续膨胀。

四、ThreadLocal与Thread，ThreadLocalMap之间的关系

在这里插入图片描述
(1）每个Thread线程内部都有一个Map (ThreadLocalMap)
( 2 ) Map里面存储ThreadLocal对象(key )和线程的变量副本( value )
( 3 ) Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变星值。
( 4 ) 对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

五、ThreadLocal 常见使用场景

1、每个线程需要有自己单独的实例
2、实例需要在多个方法中共享，但不希望被多线程共享
对于第一点，每个线程拥有自己实例，实现它的方式很多。例如可以在线程内部构建一个单独的实例。ThreadLoca 可以以非常方便的形式满足该需求。
对于第二点，可以在满足第一点（每个线程有自己的实例）的条件下，通过方法间引用传递的形式实现。ThreadLocal 使得代码耦合度更低，且实现更优雅。

场景一 ThreadLocal来存储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;
    }

场景二解决线程安全的问题

比如Java7中的SimpleDateFormat不是线程安全的，可以用ThreadLocal来解决这个问题：

public class DateUtil {
    private static final String dateFormatStr = "yyyy-MM-dd HH:mm:ss";
    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormat = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat(dateFormatStr);
        }
    };

    public static String formatDate(Date date) {
        return dateFormat.get().format(date);
    }
}

这里的DateUtil.formatDate()就是线程安全的了。(Java8里的 java.time.format.DateTimeFormatter是线程安全的，Joda time里的DateTimeFormat也是线程安全的）。

场景三、使用切面打印日志开始到结束使用ThreadLocal解决

@Component
@Slf4j
@Aspect
public class Aspect1 {
    ThreadLocal<Long> startTime = new ThreadLocal<>();

    @Pointcut("execution(* com.*(..))")
    public void webLog(){}

    @Before(value = "webLog()")
    public void before(JoinPoint joinPoint) {
        //输出连接点的信息
        startTime.set(System.currentTimeMillis());
        //日志操作
        ServletRequestAttributes attributes = (ServletRequestAttributes)RequestContextHolder.getRequestAttributes();
        HttpServletRequest request = attributes.getRequest();
        Enumeration<String> headerNames = request.getHeaderNames();
        log.info("****************HeaderStart***********************");
        while (headerNames.hasMoreElements()){
            String headerName = headerNames.nextElement();
            log.info("*****<{}: {}>",headerName,request.getHeader(headerName));
        }
        log.info("****************HeaderEnd***********************");
        //------------其他处理
    }

    @AfterReturning(returning = "ret", value = "webLog()")
    public void afterThrowing(String ret) {
        log.info("RESPONSE: {}",ret);
        log.info("SPEND TIME: {}",System.currentTimeMillis()-startTime.get());
    }
}

场景四、ThreadLocal在Spring事务管理中的应用

Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题
在一般情况下，只有无状态的Bean从才能在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。（PS:Spring Bean实例的作用范围，一般由scope进行指定，scope配置项有5个属性，用于描述不同的作用域：1.singleton：使用该属性定义Bean时，IOC容器仅创建一个Bean实例，IOC容器每次返回的是同一个Bean实例。2.prototype：使用该属性定义Bean时，IOC容器可以创建多个Bean实例，每次返回的都是一个新的实例。）
绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean中非线程安全的”状态性对象“采用ThreadLocal进行封装。因此有状态的Bean就能够以singleton的方式在多线程中正常工作了。
一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次，在不同的层中编写对应的逻辑，下层通过接口向上层开放功能调用。一般情况下，从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都属于同一个线程。
下面的示例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路：

public class TopicDao{
	private Connection conn;//一个非线程安全的变量
	public void addTopic(){
		Statement stat=conn.createStatement();
	}
}

由于这个conn是一个非线程安全的成员变量，因此addTopic()方法是非线程安全的，必须在使用时创建一个新的TopicDao实例。下面，使用ThreadLocal对conn这个非线程安全的状态进行改造：

import java.sql.Connection;
import java.sql.Statement;
public class TopicDao{
	private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal=new ThreadLocal<Connection>();//使用ThreadLocal保存Connection变量
	public static Connection getConnection(){
		if(connThreadLocal.get()==null){//如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection
			Connection conn=ConnectionManager.getConnection();
			connThreadLocal.set(conn);
			return conn;
		}
		else{
			return connThreadLocal.get();//直接返回线程本地变量
		}
	}
	public void addTopic(){
		Statement stat=getConnection().createStatement();
	}
}

不同的线程在使用TopicDao时，先判断connThreadLocal.get()是否为null，如果是null，则说明当前线程还没有对应的Connection对象，这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中，如果不为null，则说明当前的线程已经拥有了Connection对象，直接使用就可以了。这样，就保证了不同的线程使用自己独立的Connection，而不会使用其他线程的Connection，因此，这个TopicDao就可以做到singleton共享了。

六、ThreadLocal其他几个注意的点

ThreadLocal 内存泄露的原因

Entry将ThreadLocal作为Key，值作为value保存，它继承自WeakReference，注意构造函数里的第一行代码super(k)，这意味着ThreadLocal对象是一个「弱引用」。可以看图1.

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

主要两个原因
1 . 没有手动删除这个 Entry
2 . CurrentThread 当前线程依然运行
第一点很好理解，只要在使用完下 ThreadLocal ，调用其 remove 方法删除对应的 Entry ，就能避免内存泄漏。

第二点稍微复杂一点，由于ThreadLocalMap 是 Thread 的一个属性，被当前线程所引用，所以ThreadLocalMap的生命周期跟 Thread 一样长。如果threadlocal变量被回收，那么当前线程的threadlocal 变量副本指向的就是key=null, 也即entry(null,value),那这个entry对应的value永远无法访问到。实际上ThreadLocal场景都是采用线程池，而线程池中的线程都是复用的，这样就可能导致非常多的entry(null,value)出现，从而导致内存泄露。

综上， ThreadLocal 内存泄漏的根源是：
由于ThreadLocalMap 的生命周期跟 Thread 一样长，对于重复利用的线程来说，如果没有手动删除（remove()方法）对应 key 就会导致entry(null，value)的对象越来越多，从而导致内存泄漏．

key 如果是强引用

为什么ThreadLocalMap的key要设计成弱引用呢？其实很简单，如果key设计成强引用且没有手动remove()，那么key会和value一样伴随线程的整个生命周期。

假设在业务代码中使用完ThreadLocal, ThreadLocal ref被回收了，但是因为threadLocalMap的Entry强引用了threadLocal(key就是threadLocal), 造成ThreadLocal无法被回收。在没有手动删除Entry以及CurrentThread(当前线程)依然运行的前提下, 始终有强引用链CurrentThread Ref → CurrentThread →Map(ThreadLocalMap)-> entry, Entry就不会被回收( Entry中包括了ThreadLocal实例和value), 导致Entry内存泄漏也就是说: ThreadLocalMap中的key使用了强引用, 是无法完全避免内存泄漏的。

为什么 key 要用弱引用

事实上，在 ThreadLocalMap 中的set/getEntry 方法中，会对 key 为 null（也即是 ThreadLocal 为 null ）进行判断，如果为 null 的话，那么会把 value 置为 null 的．这就意味着使用threadLocal , CurrentThread 依然运行的前提下．就算忘记调用 remove 方法，弱引用比强引用可以多一层保障：弱引用的 ThreadLocal 会被回收．对应value在下一次 ThreadLocaIMap 调用 set/get/remove 中的任一方法的时候会被清除，从而避免内存泄漏．
在这里插入图片描述

如何正确的使用ThreadLocal

1、将ThreadLocal变量定义成private static的，这样的话ThreadLocal的生命周期就更长，由于一直存在ThreadLocal的强引用，所以ThreadLocal也就不会被回收，也就能保证任何时候都能根据ThreadLocal的弱引用访问到Entry的value值，然后remove它，防止内存泄露

2、每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据。

ThreadLocal高级面试真题

一.ThreadLocal 是什么？
ThreadLocal是一个本地线程副本变量工具类。主要用于将私有线程和该线程存放的副本对象做一个映射，各个线程之间的变量互不干扰，在高并发场景下，可以实现无状态的调用，适用于各个线程不共享变量值的操作。

二.为什么 ThreadLocalMap 的 key 是弱引用？
1.key使用强引用：这样会导致一个问题，引用的 ThreadLocal 的对象被回收了，但是 ThreadLocalMap 还持有 ThreadLocal 的强引用，如果没有手动删除，ThreadLocal 不会被回收，则会导致内存泄漏。

2.key使用弱引用：这样的话，引用的 ThreadLocal 的对象被回收了，由于 ThreadLocalMap 持有 ThreadLocal 的弱引用，即使没有手动删除，ThreadLocal 也会被回收。value 在下一次 ThreadLocalMap 调用 set、get、remove 的时候会被清除。

总结：比较以上两种情况，我们可以发现：由于ThreadLocalMap 的生命周期跟 Thread 一样长，如果都没有手动删除对应 key，都会导致内存泄漏，但是使用弱引用可以多一层保障，弱引用 ThreadLocal 不会内存泄漏，对应的 value 在下一次 ThreadLocalMap 调用 set、get、remove 的时候被清除，算是最优的解决方案。

三.ThreadLocal类之如何让子类访问父线程的值？
1.InheritableThreadLocal类

继承自ThreadLocal，提供了一个特性，让子线程可以访问父线程中设置的本地变量。InheritableThreadLocal重写了creatMap方法，所以在这个类中inheritableThreadLocals代替了threadLocals，所以get和set的都是这个map

2.创建子线程的时候传入父线程的变量，并将其赋值到子线程