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ThreadLocal = 本地线程?

风尘博客 人气:2

一、定义

ThreadLocal是JDK包提供的，从名字来看，ThreadLocal意思就是本地线程的意思。

1.1 是什么？

要想知道他是个啥，我们看看ThreadLocal的源码（基于JDK 1.8）中对这个类的介绍：

This class provides thread-local variables.  These variables differ from
their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its
{@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized
copy of the variable.  {@code ThreadLocal} instances are typically private
static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g.,
a user ID or Transaction ID).

大致能够总结出：

  1. TreadLocal可以给我们提供一个线程内的局部变量，而且这个变量与一般的变量还不同，它是每个线程独有的，与其他线程互不干扰的；
  2. ThreadLocal 与普通变量的区别在于：每个使用该变量的线程都会初始化一个完全独立的实例副本。ThreadLocal 变量通常被private static修饰。当一个线程结束时，它所使用的所有 ThreadLocal 相对的实例副本都会被回收；
  3. 简单说ThreadLocal就是一种以空间换时间的做法，在每个Thread里面维护了一个ThreadLocal.ThreadLocalMap，把数据进行隔离，每个线程的数据不共享，自然就没有线程安全方面的问题了.

1.2 示例

一言不合上代码！

//创建ThreadLocal变量
private static ThreadLocal<String> localParam = new ThreadLocal<>();

@Test
public void threadLocalDemo() {
    //创建2个线程，分别设置不同的值
    new Thread(() -> {
        localParam.set("Hello 风尘博客!");
        //打印当前线程本地内存中的localParam变量的值
        log.info("{}:{}", Thread.currentThread().getName(), localParam.get());
    }, "T1").start();
    new Thread(() -> {
        log.info("{}:{}", Thread.currentThread().getName(), localParam.get());
    }, "T2").start();
}
  • 结果：
... T1:Hello 风尘博客!
... T2:null

打印结果证明，T1线程中设置的值无法在T2取出，证明变量ThreadLocal在各个线程中数据不共享。

1.3 ThreadLocal的API

ThreadLocal定义了四个方法:

  1. get():返回此线程局部变量当前副本中的值；
  2. set(T value):将线程局部变量当前副本中的值设置为指定值；
  3. initialValue():返回此线程局部变量当前副本中的初始值；
  4. remove():移除此线程局部变量当前副本中的值。
  • set()和initialValue()区别
名称 set() initialValue()
定义 为这个线程设置一个新值 该方法用于设置初始值，并且在调用get()方法时才会被触发，所以是懒加载。但是如果在get()之前进行了set()操作，这样就不会调用
区别 如果对象生成的时机不由我们控制的时候使用 set() 方式 对象初始化的时机由我们控制的时候使用initialValue() 方式

二、实现原理

ThreadLocal有一个特别重要的静态内部类ThreadLocalMap，该类才是实现线程隔离机制的关键。

  • 每个线程的本地变量不是存放在ThreadLocal实例里面，而是存放在调用线程的threadLocals变量里面，也就是说：ThreadLocal类型的本地变量存放在具体的线程内存空间中。
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
  • Thread类中有两个ThreadLocalMap类型的变量，分别是threadLocals和inheritableThreadLocals，而ThreadLocalMap是一个定制化的Hashmap，专门用来存储线程本地变量。在默认情况下，每个线程中的这两个变量都为null，只有当前线程第一次调用ThreadLocal的set()或者get()方法时才会创建它们。

  • ThreadLocal就是一个工具壳，它通过set()方法把value值放入调用线程的threadLocals里面并存放起来，当调用线程调用它的get()方法时，再从当前线程的threadLocals变量里面将其拿出来使用。

  • 如果调用线程一直不终止，那么这个本地变量会一直存放在调用线程的threadLocals变量里面，所以当不需要使用本地变量时可以通过调用ThreadLocal变量的remove()方法，从当前线程的threadLocals里面删除该本地变量。

另外Thread里面的threadLocals被设计为Map结构是因为每个线程可以关联多个ThreadLocal变量。

原理小结

  1. 每个Thread维护着一个ThreadLocalMap的引用；
  2. ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，用Entry来进行存储；
  3. 调用ThreadLocal的set()方法时，实际上就是往ThreadLocalMap设置值，key是ThreadLocal对象，值是传递进来的对象；
  4. 调用ThreadLocal的get()方法时，实际上就是往ThreadLocalMap获取值，key是ThreadLocal对象；
  5. ThreadLocal本身并不存储值，它只是作为一个key来让线程从ThreadLocalMap获取value。

三、使用场景

3.1 ThreadLocal的作用

  • 保存线程上下文信息，在任意需要的地方可以获取.

由于ThreadLocal的特性，同一线程在某地方进行设置，在随后的任意地方都可以获取到。从而可以用来保存线程上下文信息。

  • 线程安全的，避免某些情况需要考虑线程安全必须同步带来的性能损失.

3.2 场景一：独享对象

每个线程需要一个独享对象（通常是工具类，典型需要使用的类有SimpleDateFormat和Random）

这类场景阿里规范里面也提到了：

3.3 场景二：当前信息需要被线程内的所有方法共享

每个线程内需要保存全局变量（例如在拦截器中获取用户信息），可以让不同方法直接使用，避免参数传递的麻烦。

演示（完整演示见文末Github）

  • User.java
@Data
public class User {
    private String userName;

    public User() {

    }

    public User(String userName) {
        this.userName = userName;
    }
}
  • UserContextHolder.java
public class UserContextHolder {

    public static ThreadLocal<User> holder = new ThreadLocal<>();

}
  • Service1.java
public class Service1 {

    public void process() {
        User user = new User("Van");
        //将User对象存储到 holder 中
        UserContextHolder.holder.set(user);
        new Service2().process();
    }
}
  • Service2.java
public class Service2 {

    public void process() {
        User user = UserContextHolder.holder.get();
        System.out.println("Service2拿到用户名: " + user.getUserName());
        new Service3().process();
    }
}
  • Service3.java
public class Service3 {

    public void process() {
        User user = UserContextHolder.holder.get();
        System.out.println("Service3拿到用户名: " + user.getUserName());
    }
}
  • 测试方法
@Test
public void threadForParams() {
    new Service1().process();
}
  • 结果打印
Service2拿到用户名: Van
Service3拿到用户名: Van

3.4 使用ThreadLocal的好处

  1. 达到线程安全的目的；
  2. 不需要加锁，执行效率高；
  3. 更加节省内存，节省开销；
  4. 免去传参的繁琐，降低代码耦合度。

四、问题

4.1 内存泄漏问题

内存泄露：某个对象不会再被使用，但是该对象的内存却无法被收回

  • 正常情况

当Thread运行结束后，ThreadLocal中的value会被回收，因为没有任何强引用了。

  • 非正常情况

当Thread一直在运行始终不结束，强引用就不会被回收，存在以下调用链

Thread-->ThreadLocalMap-->Entry(key为null)-->value

因为调用链中的 value 和 Thread 存在强引用，所以value无法被回收，就有可能出现OOM。

如何避免内存泄漏(阿里规范)

调用remove()方法，就会删除对应的Entry对象，可以避免内存泄漏，所以使用完ThreadLocal后，要调用remove()方法。

4.2 ThreadLocal的空指针问题

  • ThreadLocalNPE.java
public class ThreadLocalNPE {

    ThreadLocal<Long> longThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public void set() {
        longThreadLocal.set(Thread.currentThread().getId());
    }

    /**
     * 当前返回值为基本类型，会报空指针异常，如果改成包装类型Long就不会出错
     * @return
     */
    public long get() {
        return longThreadLocal.get();
    }
}
  • 空指针测试
@Test
public void threadLocalNPE() {
    ThreadLocalNPE threadLocalNPE = new ThreadLocalNPE();
    //如果get方法返回值为基本类型，则会报空指针异常，如果是包装类型就不会出错
    System.out.println(threadLocalNPE.get());
}

如果get()方法返回值为基本类型，则会报空指针异常；如果是包装类型就不会出错。这是因为基本类型和包装类型存在装箱和拆箱的关系，所以，我们必须将get()方法返回值使用包装类型。

4.3 参考文章

  1. 再也不学Threadlocal了，看这一篇就忘不掉了（万字总结）
  2. 使用 ThreadLocal 一次解决老大难问题

四、技术交流

Github 示例代码

  1. 风尘博客：https://www.dustyblog.cn
  2. 风尘博客-掘金
  3. 风尘博客-博客园
  4. Github

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