Java ThreadLocal 详解

简介

java.lang.ThreadLocal 表示线程本地存储区(Thread Local Storage,简称为 TLS),每个线程都有自己的私有的本地存储区域,不同线程之间彼此不能访问对方的 TLS 区域。ThreadLocal 是 JDK 1.2 开始提供的,该类为解决多线程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。

原理

Thread 类中成员变量 threadLocals,它的类型是 ThreadLocal.ThreadLocalMap,每个线程都有一个这样的 Map,所以可以保存 N 个 ThreadLocal 键值对,并且不同线程的变量值不同。

ThreadLocal 连接 ThreadLocalMapThread,来处理 ThreadthreadLocals 属性,包括初始化属性赋值、获取变量、设置变量等。通过当前线程,获取线程上的 ThreadLocalMap,对数据进行 getset 等操作。

ThreadLocalMap 用来存储数据,存储了以 ThreadLocalkey,需要隔离的数据为 valueEntry 键值对数组结构。

源码解析

ThreadLocal 的源码如下:

public class ThreadLocal<T> {
    /**
     * ThreadLocals rely on per-thread linear-probe hash maps attached
     * to each thread (Thread.threadLocals and
     * inheritableThreadLocals).  The ThreadLocal objects act as keys,
     * searched via threadLocalHashCode.  This is a custom hash code
     * (useful only within ThreadLocalMaps) that eliminates collisions
     * in the common case where consecutively constructed ThreadLocals
     * are used by the same threads, while remaining well-behaved in
     * less common cases.
     */
    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

    /**
     * The next hash code to be given out. Updated atomically. Starts at
     * zero.
     */
    private static AtomicInteger nextHashCode =
        new AtomicInteger();

    /**
     * The difference between successively generated hash codes - turns
     * implicit sequential thread-local IDs into near-optimally spread
     * multiplicative hash values for power-of-two-sized tables.
     */
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

    /**
     * Returns the next hash code.
     */
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }

    /**
     * Returns the current thread's "initial value" for this
     * thread-local variable.  This method will be invoked the first
     * time a thread accesses the variable with the {@link #get}
     * method, unless the thread previously invoked the {@link #set}
     * method, in which case the {@code initialValue} method will not
     * be invoked for the thread.  Normally, this method is invoked at
     * most once per thread, but it may be invoked again in case of
     * subsequent invocations of {@link #remove} followed by {@link #get}.
     *
     * <p>This implementation simply returns {@code null}; if the
     * programmer desires thread-local variables to have an initial
     * value other than {@code null}, {@code ThreadLocal} must be
     * subclassed, and this method overridden.  Typically, an
     * anonymous inner class will be used.
     *
     * @return the initial value for this thread-local
     */
    protected T initialValue() {
        return null;
    }

    /**
     * Creates a thread local variable. The initial value of the variable is
     * determined by invoking the {@code get} method on the {@code Supplier}.
     *
     * @param <S> the type of the thread local's value
     * @param supplier the supplier to be used to determine the initial value
     * @return a new thread local variable
     * @throws NullPointerException if the specified supplier is null
     * @since 1.8
     */
    public static <S> ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supplier) {
        return new SuppliedThreadLocal<>(supplier);
    }

    /**
     * Creates a thread local variable.
     * @see #withInitial(java.util.function.Supplier)
     */
    public ThreadLocal() {
    }

    /**
     * Returns the value in the current thread's copy of this
     * thread-local variable.  If the variable has no value for the
     * current thread, it is first initialized to the value returned
     * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
     *
     * @return the current thread's value of this thread-local
     */
    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;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

    /**
     * Variant of set() to establish initialValue. Used instead
     * of set() in case user has overridden the set() method.
     *
     * @return the initial value
     */
    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;
    }

    /**
     * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
     * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
     * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
     * method to set the values of thread-locals.
     *
     * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
     *        this thread-local.
     */
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

    /**
     * Removes the current thread's value for this thread-local
     * variable.  If this thread-local variable is subsequently
     * {@linkplain #get read} by the current thread, its value will be
     * reinitialized by invoking its {@link #initialValue} method,
     * unless its value is {@linkplain #set set} by the current thread
     * in the interim.  This may result in multiple invocations of the
     * {@code initialValue} method in the current thread.
     *
     * @since 1.5
     */
     public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
     }

    /**
     * Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
     * InheritableThreadLocal.
     *
     * @param  t the current thread
     * @return the map
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

    /**
     * Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
     * InheritableThreadLocal.
     *
     * @param t the current thread
     * @param firstValue value for the initial entry of the map
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

}

ThreadLocal 的核心方法有如下几个:

  • T initialValue():返回该线程局部变量的初始值。该方法是一个 protected 的方法,显然是为了让子类重写而设计的。这个方法是一个延迟调用方法,在线程第一次调用 get() 方法时才执行,并且仅执行一次。ThreadLocal 中的缺省实现直接返回一个 null
  • ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supplier):提供一个 Supplierlamda 表达式用来当做初始值,该方法是 JDK 1.8 新增的方法。
  • T setInitialValue():设置初始值。在调用 get() 方法没有对应的值时,调用此方法。该方法是一个 private 方法,防止被重写。
  • T get():方法返回当前线程所对应的线程局部变量。先取出当前线程对应的 threadLocalMap,如果不存在则用创建一个,但是是用 initialValue() 方法的返回值作为 value 放入到 map 中,且返回 initialValue(),否则就直接从 map 取出 thisThreadLocal 对应的 value 返回。
  • void set(T value):设置当前线程对应的线程局部变量的值。先取出当前线程对应的 threadLocalMap,如果不存在则用创建一个,否则将 value 放入以 this(即 ThreadLocal)为 key 的映射的 map 中,其实 ThreadLocalMap 内部和 HashMap 机制一样,存储了 Entry 键值对数组。
  • 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 1.5 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。需要注意的是,如果 remove() 方法调用之后又调用了 get() 方法,会重新初始化一次,即再次调用 initialValue() 方法,除非在 get() 方法之前调用 set() 方法设置过值。

从上面的分析中,可以看到,ThreadLocal 的实现离不开 ThreadLocalMap 类,ThreadLocalMap 类是 ThreadLocal 的静态内部类。每个 Thread 维护一个 ThreadLocalMap 映射表,这个映射表的 keyThreadLocal 实例本身,value 是真正需要存储的 Object。这样的设计主要有以下几点优势:

  • 这样设计之后每个 Map 的 Entry 数量变小了:之前是 Thread 的数量,现在是 ThreadLocal 的数量,能提高性能;
  • 当 Thread 销毁之后对应的 ThreadLocalMap 也就随之销毁了,能减少内存使用量。

ThreadLocalMap 看名字就知道是个 map,没错,这就是个 HashMap 机制实现的 map,用 Entry 数组来存储键值对,keyThreadLocal 对象,value 则是具体的值。值得一提的是,为了方便 GC,Entry 继承了 WeakReference,也就是弱引用。里面有一些具体关于如何清理过期的数据、扩容等机制,思路基本和 Hashmap 差不多,有兴趣的可以自行阅读了解,一般只需知道大概的数据存储结构即可。ThreadLocalMap 的源码如下:

static class ThreadLocalMap {

    /**
     * The entries in this hash map extend WeakReference, using
     * its main ref field as the key (which is always a
     * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
     * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
     * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
     * as "stale entries" in the code that follows.
     */
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /**
         * The value associated with this ThreadLocal.
         */
        Object value;

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

    /**
     * The initial capacity -- MUST be a power of two.
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * The table, resized as necessary.
     * table.length MUST always be a power of two.
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * The number of entries in the table.
     */
    private int size = 0;

    /**
     * The next size value at which to resize.
     */
    private int threshold; // Default to 0

    /**
     * Set the resize threshold to maintain at worst a 2/3 load factor.
     */
    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

    /**
     * Construct a new map initially containing (firstKey, firstValue).
     * ThreadLocalMaps are constructed lazily, so we only create
     * one when we have at least one entry to put in it.
     */
    ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
        size = 1;
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }

}

与同步机制的比较

ThreadLocal 和线程同步机制相比有什么优势呢?

  • Synchronized 用于线程间的数据共享。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。
  • ThreadLocal 则用于线程间的数据隔离。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。

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。

总结

ThreadLocal 是一个用于提供线程局部变量的工具类,它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,特别适用于各个线程依赖不通的变量值完成操作的场景。

ThreadLocal 是解决线程安全问题一个很好的思路,它通过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。在很多情况下,ThreadLocal 比直接使用 synchronized 同步机制解决线程安全问题更简单,更方便,且结果程序拥有更高的并发性。


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