【Java】多线程ThreadLocal介绍

ThreadLocal是什么

早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal,ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。

当使用ThreadLocal维护变量时,ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本,所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其它线程所对应的副本。

从线程的角度看,目标变量就象是线程的本地变量,这也是类名中“Local”所要表达的意思。

所以,在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些,因此造成线程局部变量没有在Java开发者中得到很好的普及。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单,只有4个方法,我们先来了解一下:

void set(Object value):设置当前线程的线程局部变量的值。

public Object get():该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。

public void remove():将当前线程局部变量的值删除,目的是为了减少内存的占用,该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是,当线程结束后,对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收,所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作,但它可以加快内存回收的速度

protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值,该方法是一个protected的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的。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

值得一提的是,在JDK5.0中,ThreadLocal已经支持泛型,该类的类名已经变为ThreadLocal。API方法也相应进行了调整,新版本的API方法分别是void set(T value)T get()以及T initialValue()

ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢?其实实现的思路很简单:在ThreadLocal类中有一个Map,用于存储每一个线程的变量副本,Map中元素的键为线程对象,而值对应线程的变量副本。我们自己就可以提供一个简单的实现版本:

public class TestNum {

    // 1、定义一个静态变量
    public static int seqNum = 0;

    // 2、获取下一个序列值
    public int getNextNum() {
        seqNum++;
        return seqNum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestNum sn = new TestNum();
        // 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 TestNum sn;

        public TestClient(TestNum sn) {
            this.sn = sn;
        }

        public void run() {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                // ④每个线程打出3个序列值
                System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> " + sn.getNextNum());
            }
        }
    }
}
输出结果:
thread[Thread-0] --> 1
thread[Thread-2] --> 2
thread[Thread-1] --> 2
thread[Thread-2] --> 4
thread[Thread-0] --> 3
thread[Thread-2] --> 6
thread[Thread-1] --> 5
thread[Thread-0] --> 7
thread[Thread-1] --> 8

仔细分析发现,线程之间共享的static变量无法保证不同线程安全的,即便不是static变量也非安全,那如何才能做到线程安全呢?请看下面修改后的代码

public class TestNum {
    // 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>() {
        @Override
        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) {
        TestNum sn = new TestNum();
        // 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 TestNum sn;

        public TestClient(TestNum sn) {
            this.sn = sn;
        }

        public void run() {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                // ④每个线程打出3个序列值
                System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> " + sn.getNextNum());
            }
        }
    }
}
输出结果:
thread[Thread-1] --> 1
thread[Thread-2] --> 1
thread[Thread-0] --> 1
thread[Thread-2] --> 2
thread[Thread-1] --> 2
thread[Thread-2] --> 3
thread[Thread-0] --> 2
thread[Thread-0] --> 3
thread[Thread-1] --> 3

通过ThreadLocal封装一个Integer类型的seqNum静态变量,并且初始值为0,首先在getNextNum中取到值随后加一并返回。

每个线程之间互相独立了,同样是 static变量,对于不同线程而言,它没有被共享,而是每个线程各一份,也就保证了线程安全,也就是说,TheadLocal为每一个线程提供了一个独立的副本。

Thread同步机制的比较

ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢?ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

在同步机制中,通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的,使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写,什么时候需要锁定某个对象,什么时候释放对象锁等繁杂的问题,程序设计和编写难度相对较大。

而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本,从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象,在编写多线程代码时,可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象,低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象,需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题,在一定程度地简化ThreadLocal的使用,代码清单 9 2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal版本。

概括起来说,对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。

Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题我们知道在一般情况下,只有无状态的Bean才可以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。就是因为Spring对一些Bean(如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等)中非线程安全状态采用ThreadLocal进行处理,让它们也成为线程安全的状态,因为有状态的Bean就可以在多线程中共享了。

ThreadLocal使用案例

首先要说的就是通过ThreadLocal存放JDBC联接,以达到事务控制能力,常见的错误就在DBUtil工具类中,工具类中如果生命变量是以下代码很容易在执行jdbc时候会发出数据库关闭等异常信息

...

//定义一个数据库联接
private static Connection conn = null;

//获取联接
public static Connection getConnection(){
 try{
     Class.forName(driver);
     conn = DriverManager.getConnection(url,username,password);
 }catch(Exception e){
     e.printStackTrace;
 }
}

...

看似代码没什么问题,执行几个sql也很正常,但是在进行压力测试等多访问操作就会抱异常,原因就是Connection是非线程安全的,多个线程共享连接,很可能就会发现线程1关闭线程2的连接,所以就抱错了。

正确的做法是定义一个用于放置数据库连接的局部线程变量,使每一个线程都有自己的联接

修改如下

private static ThreadLocal<Connection> connContainer = new ThreadLocal<Connection>();

//获取联接(省略部分代码)
public static Connection getConnection(){
 if (connThreadLocal.get() == null) {  
     Connection conn = getConnection();  
     connThreadLocal.set(conn);  
     return conn;  
 } else {  
    return connThreadLocal.get();// ③直接返回线程本地变量  
 }  
}

参考文章:http://blog.csdn.net/lufeng20/article/details/24314381

百度百科:http://baike.baidu.com/link?url=DTCDBBB7p--5nIQ4CZGp6msKhU7_uur5A-V6pdqfATWkmsRSlnE4e3KRKs4i3kLhz2urTUhkJ6vQF35usv3xCK


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