ThreadLocal小结

前言

今年四月份面阿里，前一阵子面美团，一说JAVA基础，都会提到ThreadLocal，看来一句“多线程这方面做的不多”是不会让面试官客气的，好在亡羊补牢，为时未晚，在本文中我来谈谈我对ThreadLocal的理解。
本文的很多观点来自《深入理解java虚拟机》以及《java特种兵》。

线程安全

我们很难想象在计算机的世界，程序执行时，被不停地中断，共享的数据可能会被修改和变“脏”。为保证程序的正确性，通常我们会想到，确保共享数据在某一时刻只能被一个线程访问。一个常用手段便是“互斥”，具体到java代码，通常是使用synchronized关键字。“互斥”后，线程访问是安全了，但并发执行的效率下降了，怎么办？

“互斥”之所以会引起效率下降，是因为就解决“线程安全”这个问题而言，它太“重量级”了（或者说，粒度太大了），考虑的太过直接和全面。比如，线程A和线程B共享数据data，线程B访问data时，需要先申请锁，但发现锁已经“锁住”，怎么办？

1. 挂起线程B。

   然而，Java线程通常由内核线程实现，线程的挂起和切换等需要系统进行用户态和内核态的切换，太“费劲儿”了。而线程访问data的操作可能耗时很短，为此挂起线程会引起一些浪费。

2. 使用读写锁，读操作之间是不互斥的。
3. 线程B发现数据“锁住了”，就空转一下，等一会儿再试试可不可以访问。（这完全就是另外一种并发编程模型了，基于这个模型，也产生了一系列的组件，比如队列等）
4. 在某些场景下，可以让线程A和线程B都保有一份data，就可以去掉竞争，“以空间换时间”。

因此针对一些具体的使用场景，我们放宽要求甚至不采用互斥，也能达到“线程安全”，同时在效率上有所提高。

线程原生的局部变量

以上是从线程安全的角度出发，那么从线程本身角度看，线程操作时，往往需要一些对象（或变量），这些对象只有这个线程才可以使用。Java在语法层面没有提供线程的“局部变量（成员变量）” 这个支持，当然，我们可以变通一下：

class MyThread extends Thread{    int abc;    //  我们自定义的局部变量    public void run(){xxx}}

其实为实现这个特性，除了我们自己继承Thread类以外，观察Java Thread类源码，可以发现其有一个ThreadLocalMap成员。我们可以揣测，开发Java的那些大咖们估计我们会有这样的需求，但不知道我们会需要什么样的成员变量，所以预留这样一个“容器”，留给我们来存储自定义成员变量。

//  Thread类部分源码public class Thread implements Runnable {      ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals= null ;      xxx;}  

threadLocals是Thread的default类型的成员，ThreadLocal跟Thread类在一个包下，所以在ThreadLocal类中可以Thread.currentThread().threadLocals来操作threadLocals成员。

threadLocals(是一个map) ==> <ThreadLocal1,value1>                           <ThreadLocal2,value2>                           <ThreadLocal3,value3>

ThreadLocal有以下方法：

set(v){    当前线程.threadlocals.put(this,v);}get(v){    当前线程.threadlocals.get(this);}remove(v){    当前线程.threadlocals.remove(this);}

这里，有一个跟寻常开发习惯不同的地方，一般，一个类的成员变量由这个类自己负责初始化，而在Thread类中，由ThreadLocal类负责对其ThreadLocalMap成员初始化。由于一个ThreadLocal包装一个value，所以ThreadLocal对象也可以和value形成一对一映射。

换句话说，变量有类作用域，对象作用域和线程作用域(作为Thread类的成员，或者被其成员引用，就具备了线程作用域)。只要将一个变量放在线程的threadLocals成员中，这个变量便有了线程作用域。与类作用域和对象作用域不同，这两种作用域的变量直接用关键字注明即可。一个变量要想拥有线程作用域，也就是要进入threadLocals这个map中，必须通过ThreadLocal类的操作（ThreadLocal类和Thread类一个包，可以直接操作threadLocals成员），同时还要一个key搭伙，ThreadLocal类对象也可以代劳。

使用模式

换个方式看待

class A{    private String var1;    private ThreadLocal var2;    public void func(){        opt var1;        opt var2;    }}

《spring权威指南》中曾经有一段非常精彩：面向对象设计其实也是一种模块化的方法，它把相关的数据及其处理方法放在了一起。与单纯的使用子函数进行封装相比，面向对象的模块化特性更完备，它体现了计算的一个基本原则——让计算尽可能靠近数据（这都能联系到一起）。这样一来，代码组织起来就更加整齐和清晰，一个类就是一个基本的模块。

以上述代码为例，从模块化的角度看，func方法可以操作var1和var2，对象将数据和操作数据的方法结合在了一起。但线程本身只是执行方法的（无论是C语言还是java语言，初始化一个线程本质上都是赋给它一个函数），线程割裂了这种结合。按照操作系统的说法，线程之间共享进程的资源，代码段共享，而数据段则只有一份。如果要每个线程都有自己的”数据段”，就要将变量Thread local化。

变相传参

变相传递参数的一个例子（实现变量在同一线程内，跨类使用）

MyContext{    // 既然ThreadLocal对象和numThreadLocal作为keyvalue搭伙，numThreadLocal作为线程作用域存在，那么ThreadLocal对象也必须只多不少，所以就弄成静态的了。    public static ThreadLocal<Integer> numThreadLocal = new ThreadLocal<Integer>();    public void set(Integer num){        numThreadLocal.set(num);    }    public Integer get(){        return numThreadLocal.get();    }    public void close(){        numThreadLocal.remove();    }}MyComponent{    public void say(){        System.out.println("num ==> " + MyContext.get())    }}Main{    public static void main(String[] args){        for(int i=0;i<10;i++){            final int num = i;            new Thread(){                public void run(){                    MyContext.set(num);                    new MyComponent().say();                    MyContext.close();                }            }.start();        }    }}

使用ThreadLocal时，要注意释放资源，对于一个正常的线程，线程运行结束后，ThreadLocal数据会自动释放。而对于线程池提供的线程，有时很长时间都不会释放（线程是被复用的），ThreadLocal变量的积累会导致线程占用资源过多。

在这个例子中，如果将MyContext按如下方式书写：

MyContext{    public static Integer num = new Integer();    public void set(Integer num){        this.num = num;    }    public Integer get(){        return this.num;    }}

那么输出的内容，就很有可能相互干扰了。

引用

强烈推荐这篇文章： Java中ThreadLocal模拟和解释