深入分析ThreadLocal

 在JDK1.2 版本中，提供了java.lang.ThreadLocal。它为解决多线程并发问题提供了一种新的思路，有其特定的应用场景。

1. 如何理解ThreadLocal
ThreadLocal，很多人叫它线程本地变量。它为每个线程都创建一个副本，每个线程访问自己内部的副本变量。不会影响其他线程的副本变量。变量是同一个，但是每个线程都使用此变量的一个新的副本，从而为多线程环境常出现的并发访问问题提供了一种隔离机制。
ThreadLocal一般可用于数据库连接的管理，可看下边的例子：

public class ConnectionManage private static Connection connection = null;     /**     * 获取数据量连接     */    public static Connection openConnection() {        if (connection == null) {            connection = DriverManager.getConnection();        }        return connection;    }    /**     * 关闭数据库连接     */    public static void closeConnection(){        if (connection!=null){            try {                connection.close();            } catch (SQLException e) {                e.printStackTrace();            }        }    }}

上边的代码在多线程中使用会出现问题。因为connection是共享变量，这两个方法没有进行同步，可能在openConnection方法中，多次创建connection。另外，可能一个线程在执行数据库操作时，另个一个线程就调用了closeConnection方法，将数据库连接关闭了。所以，如果要保证上边的代码正确运行，必须进行同步。但是，这会大大影响执行效率，因为，一个线程在使用Connection时，其他线程就必须等待。我们可以这样思考，是不是可以不将connection变量设为线程私有变量，不进行共享。这样是可以的，如果直接声明成：

private Connection connection = null;

然后，给每个线程创建私有的变量。这样是可以实现线程安全的，但是，这创建了很多个数据库连接，这会使服务器压力很大，严重影响程序的执行效率。并且，数据库连接一般是设计为单例的。所以，不能设计成这种形式。
这种情况下，就可以使用ThreadLocal。ThreadLocal在每个线程都为共享变量创建了副本，即：会在每个线程的内部都会有一个该变量，且不同线程之间不会影响，从而达到了线程隔离的效果。

1.ThreadLocal的实现
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的副本。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共享变量的副本，因此可以同时访问而互不影响。

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

ThreadLocal有4个方法，分别是：

• public void set(T value)：将值放入线程局部变量中
• public T get()：从线程局部变量中获取值
• public void remove()：从线程局部变量中移除值（有助于 JVM 垃圾回收）(jdk1.5)

• protected T initialValue()：返回线程局部变量中的初始值（默认为 null）

  get方法的实现：

    /**     * 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();    }

从上边的代码可以看到，getMap(t)方法，获得的当前线程的一个ThreadLocalMap。然后获得Entry <key,value>。获取成功，则返回本线程的value。如果，map为空，说明还没有此变量副本。调用setInitialValue()方法。下边，进行分析每一行的具体含义：ThreadLocalMap map = getMap(t);

    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {        return t.threadLocals;    }

从上边的代码可以看到，返回的是当前线程的一个成员变量threadLocals。这个成员变量在Thread类中：定义为：   ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;这个变量的类型是ThreadLocal类的内部类ThreadLocalMap。然后进入ThreadLocal中，查看此类型实现：

 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;            }        } }

ThreadLocalMap的Entry继承了 WeakReference，并且使用当前ThreadLocal作为键值。这里将ThreadLocal作为键值，是因为可能一个线程中有多个ThreadLocal的变量。而每个线程是 ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;获得线程独有的Entry的。然后，再看setInitialValue()方法。

   /**     * 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;    }

如果获得的Map不为空，就设置键值对，为空，就调用createMap方法：

    /**     * 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);    }

设置当前线程的成员变量threadLocals。这基本就是ThreadLocal的实现原理，总结一下就是：在每个线程的Thread内部有一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals，它存储了实际的变量副本。键值为当前ThreadLocal变量，value为变量副本。初始时候，在Thread中，threadLocals为空，当ThreadLocal变量调用get()或者set()方法时，会对Thread类中的threadLocals进行初始化，键值为当前ThreadLocal变量，value为变量副本。变量副本是存在线程的Thread类中的threadLocals变量中的。

## 注意点##

• 在进行get之前，必须进行set，否则会出现空指针。 如果想在set之前就调用get，则必须重写initialValue方法。
  原因是： 如果没有set的话，则map返回为空，则会调用setInitialValue方法，此方法创建副本，并且返回value。value的获得是通过：T value = initialValue();获得的，如果没有重写这个方法，其默认实现是：

    protected T initialValue() {        return null;    }

其返回值是null，从而，没有先set，就调用get时，会返回null，从而报空指针异常。set方法为：

    public void set(T value) {        Thread t = Thread.currentThread();        ThreadLocalMap map = getMap(t);        if (map != null)            map.set(this, value);        else            createMap(t, value);    }

• ThreadLocal常见的应用场景
  一般用ThreadLocal来解决数据库连接和Session管理等。ThreadLocal主要解决多线程中数据数据因并发产生不一致问题。ThreadLocal为每个线程的中并发访问的数据提供一个副本，通过访问副本来运行业务，这样的结果是耗费了内存，单大大减少了线程同步所带来性能消耗，也减少了线程并发控制的复杂度。