Java并发编程 ThreadLocal
2020-03-05 本文已影响0人
香沙小熊
1.ThreadLocal的用途
场景1：
每个线程需要一个独享的对象（通常是工具类，典型需要使用的类有SimpleDateFormat和Random）
看问题代码
打印1000个不同线程
public class ThreadLocalNormalUsage03 {
public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
static SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int finalI = i;
threadPool.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String date = new ThreadLocalNormalUsage03().date(finalI);
System.out.println(date);
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
public String date(int seconds) {
//参数的单位是毫秒，从1970.1.1 00:00:00 GMT计时
Date date = new Date(1000 * seconds);
return dateFormat.format(date);
}
}
image.png
所用的线程都共用同一个SimpleDateFormat对象，发生了线程安全问题。
解决
public class ThreadLocalNormalUsage05 {
public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int finalI = i;
threadPool.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String date = new ThreadLocalNormalUsage05().date(finalI);
System.out.println(date);
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
public String date(int seconds) {
//参数的单位是毫秒，从1970.1.1 00:00:00 GMT计时
Date date = new Date(1000 * seconds);
// SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
SimpleDateFormat dateFormat = ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal2.get();
return dateFormat.format(date);
}
}
class ThreadSafeFormatter {
/**
* 写法一
*/
public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
@Override
protected SimpleDateFormat initialValue() {
return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
}
};
/**
* Lambda表达式
*/
public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal2 = ThreadLocal
.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
}
场景2：
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
实例：当前用户信息需要被线程内所有方法共享
public class ThreadLocalNormalUsage06 {
public static void main(String[] args) {
new Service1().process("kpioneer");
new Service2().process();
new Service3().process();
}
}
class Service1 {
public void process(String name) {
User user = new User(name);
UserContextHolder.holder.set(user);
System.out.println("Service1设置用户名：" + user.name);
}
}
class Service2 {
public void process() {
User user = UserContextHolder.holder.get();
ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal.get();
System.out.println("Service2拿到用户名：" + user.name);
}
}
class Service3 {
public void process() {
User user = UserContextHolder.holder.get();
System.out.println("Service3拿到用户名：" + user.name);
UserContextHolder.holder.remove();
}
}
class UserContextHolder {
public static ThreadLocal<User> holder = new ThreadLocal<>();
}
class User {
String name;
public User(String name) {
this.name = name;
}
}
Service1设置用户名：kpioneer
Service2拿到用户名：kpioneer
Service3拿到用户名：kpioneer
使用TreadLocal，这样无需synchronized，可以在不影响性能的情况下，也无需层层传递参数，就可以达到保存当前线程对应的用户信息的目的。
2. ThreadLocal的两个作用
- 让某个需要用的对象在线程间隔离（每个线程都有自己的独立的对象）
- 在任何方法中都可以轻松获取到该对象。
场景一：initialValue
在ThreadLocal第一次get的时候把对象给初始化出来，对象的初始化时机可以由我们控制
场景二：set
如果需要保存到ThreadLocal里的对象的生成时机不由我们随意控制，例如拦截器生成的用户信息，用ThreadLocal.set直接放到我们的ThreadLocal中去，以便后续使用。
3.主要方法介绍
initialValue()
- 该方法会返回当前线程对应的“初始值”，这是一个延迟加载的方法，只有在调用get的时候，才会触发。
- 当线程第一次使用get方法访问变量时，将调用此方法，除非线程先前调用了set方法，在这** 种情况下，不会为线程调用本initialValue方法
- 通常，每个线程最多调用一次此方法，但如果调用了remove()后，再调用get(),则可以再次调用此方法
- 如果不重写本方法，这个方法会返回null。
void set(T t)
设置当前线程的threadLocal变量为指定值.
get
返回当前线程的这个threadLocal变量的映射值. 如果变量没有当前线程的值,它第一次初始化的值是由initialValue方法的调用返回
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();
}
remove 移除当前线程的threadLocal值
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}
4. 原理、源码分析
- 每个Thread对象都持有一个ThreadLocalMap成员变量
- ThreadLocalMap存放ThreadLocal对象为key，initialValue对象或者set对象为value
- ThreadLocalMap存多个ThreadLocal
public class Thread implements Runnable {
...
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
...
}
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);
}
ThreadLocalMap的底层源码分析
ThreadLocalMap是ThreadLocal内部的一个Map实现，然而它没有实现任何集合的接口规范，因为它仅供ThreadLocal内部使用，数据结构采用数组+开方地址法(线性探测法)，Entry继承WeakRefrence，是基于ThreadLocal这种特殊场景实现的Map，它的实现方式很值得我们取研究！
ThreadLocalMap中Entry的源码
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
源码分析：
1.Entry中key只能是ThreadLocal对象，被规定死了的
2.Entry继承了WeakRefrence（弱引用，生存周期只能活到下次GC前），但是只有Key是弱引用，Value并不是弱引用
ps：value既然不是弱引用，那么key在被回收之后(key=null)Value并没有被回收，如果当前线程被回收了那还好，这样value也和线程一起被回收了，要是当前线程是线程池这样的环境，线程结束没有销毁回收，那么Value永远不会被回收，当存在大量这样的value的时候，就会产生内存泄漏，那么Java 8中如何解决这个问题的呢？
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
以上是ThreadLocalMap的set方法，for循环遍历整个Entry数组，遇到key=null的就会替换，这样就不存在value内存泄漏的问题了！
ThreaLocalMap中key的HashCode计算
ThreadLocalMap这里采用的是线性探测法，也就是如果发生冲突，就继续找下一个空位置，而不是用链表拉链法。
ThreaLocalMap的key是ThreaLocal，它不会传统的调用ThreadLocal的hashcode方法（继承自object的hashcode），而是调用nexthashcode
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
//1640531527 这是一个神奇的数字，能够让hash槽位分布相当均匀
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); // 用key的hashCode计算槽位
// hash冲突时，使用开放地址法
// 因为独特和hash算法，导致hash冲突很少，一般不会走进这个for循环
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) { // key 相同，则覆盖value
e.value = value;
return;
}
if (k == null) { // key = null，说明 key 已经被回收了，进入替换方法
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
// 新增 Entry
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) // 清除一些过期的值，并判断是否需要扩容
rehash(); // 扩容
}
源码分析：
1.先是计算槽位
2.Entry数组中存在需要插入的key，直接替换即可，存在key=null，也是替换（可以避免value内存泄漏）
3.Entry数组中不存在需要插入的key，也没有key=null，新增一个Entry，然后判断一下需不需要扩容和清除过期的值
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key) // 无hash冲突情况
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e); // 有hash冲突情况
}
1.计算槽位i，判断table[i]是否有目标key，没有（hahs冲突了）则进入getEntryAfterMiss方法
5. 注意事项
如何避免内存泄露
调用remove方法，就会删除对应的Entry对象，可以避免内存泄露，所以使用完ThreadLocal之后，应该主动调用remove方法。
空指针异常
public class ThreadLocalNPE {
ThreadLocal<Long> longThreadLocal = new ThreadLocal<Long>();
public void set() {
longThreadLocal.set(Thread.currentThread().getId());
}
public long get() {
return longThreadLocal.get();
}
public static void main(String[] args) {
ThreadLocalNPE threadLocalNPE = new ThreadLocalNPE();
System.out.println(threadLocalNPE.get());
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
threadLocalNPE.set();
System.out.println(threadLocalNPE.get());
}
});
thread1.start();
}
}
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
at com.kpioneer.thread.threadlocal.ThreadLocalNPE.get(ThreadLocalNPE.java:15)
at com.kpioneer.thread.threadlocal.ThreadLocalNPE.main(ThreadLocalNPE.java:20)
因为long是基本类型，这里threadLocalNPE.get()返回值null，且类型是Long为包装类型，在拆箱过程中转化为long类型，报空指针错误。
共享对象
如果在每个线程中ThreadLocal.set()进去的东西本来就是多线程共享的同一个对象，比如static对象，那么多个线程的ThreadLocal.get()取得的还是这个共享对象本身，还是有并发访问问题。
6. 其它
- 如果可以不使用ThreadLocal就解决问题，那么不要强行使用
例如在任务数很少时，在局部变量中可以新建对象就可以解决问题，那么就不需要使用到ThreadLocal - 优先使用框架的支持，而不是自己创造
例如在Spring中，如果可以使用RequestContextHolder，那么就不需要自己维护ThreadLocal，因为自己可能会忘记调用remove()方法等，造成内存泄露。
