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Java中ThreadLocal無鎖化線程封閉實現(xiàn)原理 – 碼農(nóng)網(wǎng)

雖然現(xiàn)在可以說很多程序員會用ThreadLocal,但是我相信大多數(shù)程序員還不知道ThreadLocal,而使用ThreadLocal的程序員大多只是知道其然而不知其所以然,因此,使用ThreadLocal的程序員很多時候會被它導入到陷進中去,其實java很多高級機制系列的很多東西都是一把雙刃劍,也就是有利必有其弊,那么我們的方法是找到利和弊的中間平衡點,最佳的方式去解決問題。

本文首先說明ThreadLocal能做什么,然后根據(jù)功能為什么要用它,如何使用它,最后通過內(nèi)部說明講解他的坑在哪里,使用的人應該如何避免坑。

ThreadLocal的定義和用途的概述(我的理解):

它是一個線程級別變量,在并發(fā)模式下是絕對安全的變量,也是線程封閉的一種標準用法(除了局部變量外),即使你將它定義為static,它也是線程安全的。

ThreadLocal能做什么呢?

這個一句話不好說,我們不如來看看實際項目中遇到的一些困解:當你在項目中根據(jù)一些參數(shù)調(diào)用進入一些方法,然后方法再調(diào)用方法,進而跨對象調(diào)用方法,很多層次,這些方法可能都會用到一些相似的參數(shù),例如,A中需要參數(shù)a、b、c,A調(diào)用B后,B中需要b、c參數(shù),而B調(diào)用C方法需要a、b參數(shù),此時不得不將所有的參數(shù)全部傳遞給B,以此類推,若有很多方法的調(diào)用,此時的參數(shù)就會越來越繁雜,另外,當程序需要增加參數(shù)的時候,此時需要對相關的方法逐個增加參數(shù),是的,很麻煩,相信你也遇到過,這也是在C語言面向對象過來的一些常見處理手段,不過我們簡單的處理方法是將它包裝成對象傳遞進去,通過增加對象的屬性就可以解決這個問題,不過對象通常是有意義的,所以有些時候簡單的對象包裝增加一些擴展不相關的屬性會使得我們class的定義變得十分的奇怪,所以在這些情況下我們在架構這類復雜的程序的時候,我們通過使用一些類似于Scope的作用域的類來處理,名稱和使用起來都會比較通用,類似web應用中會有context、session、request、page等級別的scope,而ThreadLocal也可以解決這類問題,只是他并不是很適合解決這類問題,它面對這些問題通常是初期并沒有按照scope以及對象的方式傳遞,認為不會增加參數(shù),當增加參數(shù)時,發(fā)現(xiàn)要改很多地方的地方,為了不破壞代碼的結構,也有可能參數(shù)已經(jīng)太多,已經(jīng)使得方法的代碼可讀性降低,增加ThreadLocal來處理,例如,一個方法調(diào)用另一個方法時傳入了8個參數(shù),通過逐層調(diào)用到第N個方法,傳入了其中一個參數(shù),此時最后一個方法需要增加一個參數(shù),第一個方法變成9個參數(shù)是自然的,但是這個時候,相關的方法都會受到牽連,使得代碼變得臃腫不堪。

上面提及到了ThreadLocal一種亡羊補牢的用途,不過也不是特別推薦使用的方式,它還有一些類似的方式用來使用,就是在框架級別有很多動態(tài)調(diào)用,調(diào)用過程中需要滿足一些協(xié)議,雖然協(xié)議我們會盡量的通用,而很多擴展的參數(shù)在定義協(xié)議時是不容易考慮完全的以及版本也是隨時在升級的,但是在框架擴展時也需要滿足接口的通用性和向下兼容,而一些擴展的內(nèi)容我們就需要ThreadLocal來做方便簡單的支持。

簡單來說,ThreadLocal是將一些復雜的系統(tǒng)擴展變成了簡單定義,使得相關參數(shù)牽連的部分變得非常容易,以下是我們例子說明:

Spring的事務管理器中,對數(shù)據(jù)源獲取的Connection放入了ThreadLocal中,程序執(zhí)行完后由ThreadLocal中獲取connection然后做commit和rollback,使用中,要保證程序通過DataSource獲取的connection就是從spring中獲取的,為什么要做這樣的操作呢,因為業(yè)務代碼完全由應用程序來決定,而框架不能要求業(yè)務代碼如何去編寫,否則就失去了框架不讓業(yè)務代碼去管理connection的好處了,此時業(yè)務代碼被切入后,spring不會向業(yè)務代碼區(qū)傳入一個connection,它必須保存在一個地方,當?shù)讓油ㄟ^ibatis、spring jdbc等框架獲取同一個datasource的connection的時候,就會調(diào)用按照spring約定的規(guī)則去獲取,由于執(zhí)行過程都是在同一個線程中處理,從而獲取到相同的connection,以保證commit、rollback以及業(yè)務操作過程中,使用的connection是同一個,因為只有同一個conneciton才能保證事務,否則數(shù)據(jù)庫本身也是不支持的。

其實在很多并發(fā)編程的應用中,ThreadLocal起著很重要的重要,它不加鎖,非常輕松的將線程封閉做得天衣無縫,又不會像局部變量那樣每次需要從新分配空間,很多空間由于是線程安全,所以,可以反復利用線程私有的緩沖區(qū)。

如何使用ThreadLocal?

在系統(tǒng)中任意一個適合的位置定義個 ThreadLocal 變量,可以定義為 public static 類型(直接new出來一個ThreadLocal對象),要向里面放入數(shù)據(jù)就使用set(Object),要獲取數(shù)據(jù)就用get()操作,刪除元素就用remove(),其余的方法是非 public 的方法,不推薦使用。

下面是一個簡單例子(代碼片段1):

public class ThreadLocalTest2 {	public final static ThreadLocal TEST_THREAD_NAME_LOCAL = new ThreadLocal();	public final static ThreadLocal TEST_THREAD_VALUE_LOCAL = new ThreadLocal();	public static void main(String[]args) {		for(int i = 0 ; i < 100="" ;="" i++)="" {="" final="" string="" name='線程-【' +="" i="" +="" '】';="" final="" string="" value="String.valueOf(i);" new="" thread()="" {="" public="" void="" run()="" {="" try="" {="" test_thread_name_local.set(name);="" test_thread_value_local.set(value);="" calla();="" }finally="" {="" test_thread_name_local.remove();="" test_thread_value_local.remove();="" }="" }="" }.start();="" }="" }="" public="" static="" void="" calla()="" {="" callb();="" }="" public="" static="" void="" callb()="" {="" new="" threadlocaltest2().callc();="" }="" public="" void="" callc()="" {="" calld();="" }="" public="" void="" calld()="" {="" system.out.println(test_thread_name_local.get()="" +="" '/t="/t'" +="" test_thread_value_local.get());="">

這里模擬了100個線程去訪問分別設置 name 和 value ,中間故意將 name 和 value 的值設置成一樣,看是否會存在并發(fā)的問題,通過輸出可以看出,線程輸出并不是按照順序輸出,說明是并行執(zhí)行的,而線程 name 和 value 是可以對應起來的,中間通過多個方法的調(diào)用,以模實際的調(diào)用中參數(shù)不傳遞,如何獲取到對應的變量的過程,不過實際的系統(tǒng)中往往會跨類,這里僅僅在一個類中模擬,其實跨類也是一樣的結果,大家可以自己去模擬就可以。

相信看到這里,很多程序員都對 ThreadLocal 的原理深有興趣,看看它是如何做到的,盡然參數(shù)不傳遞,又可以像局部變量一樣使用它,的確是蠻神奇的,其實看看就知道是一種設置方式,看到名稱應該是是和Thread相關,那么廢話少說,來看看它的源碼吧,既然我們用得最多的是set、get和remove,那么就從set下手:

set(T obj)方法為(代碼片段2):

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

首先獲取了當前的線程,和猜測一樣,然后有個 getMap 方法,傳入了當前線程,我們先可以理解這個map是和線程相關的map,接下來如果   不為空,就做set操作,你跟蹤進去會發(fā)現(xiàn),這個和HashMap的put操作類似,也就是向map中寫入了一條數(shù)據(jù),如果為空,則調(diào)用createMap方法,進去后,看看( 代碼片段3 ):

void createMap(Thread t, T firstValue) {	t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}

返現(xiàn)創(chuàng)建了一個ThreadLocalMap,并且將傳入的參數(shù)和當前ThreadLocal作為K-V結構寫入進去( 代碼片段4 ):

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);}

這里就不說明ThreadLocalMap的結構細節(jié),只需要知道它的實現(xiàn)和HashMap類似,只是很多方法沒有,也沒有implements Map,因為它并不想讓你通過某些方式(例如反射)獲取到一個Map對他進一步操作,它是一個ThreadLocal里面的一個static內(nèi)部類,default類型,僅僅在java.lang下面的類可以引用到它,所以你可以想到Thread可以引用到它。

我們再回過頭來看看getMap方法,因為上面我僅僅知道獲取的Map是和線程相關的,而通過 代碼片段3 ,有一個t.threadLocalMap = new ThreadLocalMap(this, firstValue)的時候,相信你應該大概有點明白,這個變量應該來自Thread里面,我們根據(jù)getMap方法進去看看:

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

是的,是來自于Thread,而這個Thread正好又是當前線程,那么進去看看定義就是:

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

這個屬性就是在Thread類中,也就是每個Thread默認都有一個ThreadLocalMap,用于存放線程級別的局部變量,通常你無法為他賦值,因為這樣的賦值通常是不安全的。

好像是不是有點亂,不著急,我們回頭先摸索下思路:

1、Thread里面有個屬性是一個類似于HashMap一樣的東西,只是它的名字叫ThreadLocalMap,這個屬性是default類型的,因此同一個package下面所有的類都可以引用到,因為是Thread的局部變量,所以每個線程都有一個自己單獨的Map,相互之間是不沖突的,所以即使將ThreadLocal定義為static線程之間也不會沖突。

2、ThreadLocal和Thread是在同一個package下面,可以引用到這個類,可以對他做操作,此時ThreadLocal每定義一個,用this作為Key,你傳入的值作為value,而this就是你定義的ThreadLocal,所以不同的ThreadLocal變量,都使用set,相互之間的數(shù)據(jù)不會沖突,因為他們的Key是不同的,當然同一個ThreadLocal做兩次set操作后,會以最后一次為準。

3、綜上所述,在線程之間并行,ThreadLocal可以像局部變量一樣使用,且線程安全,且不同的ThreadLocal變量之間的數(shù)據(jù)毫無沖突。

我們繼續(xù)看看get方法和remove方法,其實就簡單了:

public T get() {	Thread t = Thread.currentThread();	ThreadLocalMap map = getMap(t);	if (map != null) {		ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);		if (e != null)			return (T)e.value;	}	return setInitialValue();}

通過根據(jù)當前線程調(diào)用getMap方法,也就是調(diào)用了t.threadLocalMap,然后在map中查找,注意Map中找到的是Entry,也就是K-V基本結構,因為你set寫入的僅僅有值,所以,它會設置一個e.value來返回你寫入的值,因為Key就是ThreadLocal本身。你可以看到map.getEntry也是通過this來獲取的。

同樣remove方法為:

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

同樣根據(jù)當前線程獲取map,如果不為空,則remove,通過this來remove。

補充下(2013-6-29),搞忘寫有什么坑了,這個ThreadLocal有啥坑呢,大家從前面應該可以看出來,這個ThreadLocal相關的對象是被綁定到一個Map中的,而這個Map是Thread線程的中的一個屬性,那么就有一個問題是,如果你不自己remove的話或者說如果你自己的程序中不知道什么時候去remove的話,那么線程不注銷,這些被set進去的數(shù)據(jù)也不會被注銷。

反過來說,寫代碼中除非你清晰的認識到這個對象應該在哪里set,哪里remove,如果是模糊的,很可能你的代碼中不會走remove的位置去,或導致一些邏輯問題,另外,如果不remove的話,就要等線程注銷,我們在很多應用服務器中,線程是被復用的,因為在內(nèi)核分配線程還是有開銷的,因此在這些應用中線程很難會被注銷掉,那么向ThreadLocal寫入的數(shù)據(jù)自然很不容易被注銷掉,這些可能在我們使用某些開源框架的時候無意中被隱藏用到,都有可能會導致問題,最后發(fā)現(xiàn)OOM得時候數(shù)據(jù)竟然來自ThreadLocalMap中,還不知道這些數(shù)據(jù)是從哪里設置進去的,所以你應當注意這個坑,可能不止一個人掉進這個坑里去過。

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