《实战高并发程序设计》读书笔记-ThreadLocal
除了控制资源的访问外，我们还可以通过增加资源来保证所有对象的线程安全。
如果说锁是使用第一种思路，那么ThreadLocal就是使用第二种思路了。
ThreadLocal的简单使用
从ThreadLocal的名字上可以看到，这是一个线程的局部变量。也就是说，只有当前线程可以访问。既然是只有当前线程可以访问的数据，自然是线程安全的。
下面来看一个简单的示例：
01 private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
02 public static class ParseDate implements Runnable{
03 int i=0;
04 public ParseDate(int i){this.i=i;}
05 public void run() {
06 try {
07 Date t=sdf.parse("2015-03-29 19:29:"+i%60);
08 System.out.println(i+":"+t);
09 } catch (ParseException e) {
10 e.printStackTrace();
11 }
12 }
13 }
14 public static void main(String[] args) {
15 ExecutorService es=Executors.newFixedThreadPool(10);
16 for(int i=0;i＜1000;i++){
17 es.execute(new ParseDate(i));
18 }
19 }
上述代码执行会得到一些异常
Exception in thread "pool-1-thread-26" java.lang.NumberFormatException: For input string: ""
Exception in thread "pool-1-thread-17" java.lang.NumberFormatException: multiple points
出现这些问题的原因，是SimipleDateFormat.parse()方法并不是线程安全的。因此，在线程池中共享这个对象必然导致错误。
一种可行的方案是在sdf.parse()前后加锁，这也是我们一般的处理思路。这里我们不这么做，我们使用ThreadLocal为每一个线程都产生一个SimpleDateformat对象实例：
01 static ThreadLocal＜SimpleDateFormat＞ tl=new ThreadLocal＜SimpleDateFormat＞();
02 public static class ParseDate implements Runnable{
03 int i=0;
04 public ParseDate(int i){this.i=i;}
05 public void run() {
06 try {
07 if(tl.get()==null){
08 tl.set(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
09 }
10 Date t=tl.get().parse("2015-03-29 19:29:"+i%60);
11 System.out.println(i+":"+t);
12 } catch (ParseException e) {
13 e.printStackTrace();
14 }
15 }
16 }
上述代码第7～9行，如果当前线程不持有SimpleDateformat对象实例。那么就新建一个并把它设置到当前线程中，如果已经持有，则直接使用。
从这里也可以看到，为每一个线程人手分配一个对象的工作并不是由ThreadLocal来完成的，而是需要在应用层面保证的。如果在应用上为每一个线程分配了相同的对象实例，那么ThreadLocal也不能保证线程安全。这点也需要大家注意。
注意：为每一个线程分配不同的对象，需要在应用层面保证。ThreadLocal只是起到了简单的容器作用。
notice:
应用层分配对象实例指的是第8行，为当前线程分配一个属于该线程独有的变量，如果分配的是同一个对象（比如：成员变量），依旧无法保证线程安全，那么ThreadLocal也不能保证线程安全，ThreadLocal只是为当前线程分配一个只属于他的变量，<font color=red>ThreadLocal保证放入其中的这些对象只被当前线程所访问</font>。
ThreadLocal的实现原理
那ThreadLocal又是如何保证这些对象只被当前线程所访问呢？下面让我们一起深入ThreadLocal的内部实现。
我们需要关注的，自然是ThreadLocal的set()方法和get()方法。
ThreadLocalMap
但是说set()，get()之前先来说一下ThreadLocalMap，ThreadLocal存储数据的容器是ThreadLocalMap，他是在Thread中定义的成员变量
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
其中，key为ThreadLocal当前对象，value就是我们需要的值。而threadLocals本身就保存了当前自己所在线程的所有“局部变量”，也就是一个ThreadLocal变量的集合。
set()
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();// 先获取当前线程
ThreadLocalMap map = getMap(t); //获取当前线程的ThreadLocalMap
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
在set时，首先获得当前线程对象，然后通过getMap()拿到线程的ThreadLocalMap，并将值设入ThreadLocalMap中。
get()
在进行get()操作时，自然就是将这个Map中的数据拿出来：
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();
}
首先，get()方法也是先取得当前线程的ThreadLocalMap对象。然后，通过将自己作为key取得内部的实际数据。
ThreadLocalMap的问题
在了解了ThreadLocal的内部实现后，我们自然会引出一个问题。那就是<font color=red>这些变量是维护在Thread类内部的（ThreadLocalMap定义所在类），这也意味着只要线程不退出，对象的引用将一直存在</font>。
当线程退出时，Thread类会进行一些清理工作，其中就包括清理ThreadLocalMap，注意下述代码：
/**
* 在线程退出前，由系统回调，进行资源清理
*/
private void exit() {
if (group != null) {
group.threadTerminated(this);
group = null;
}
target = null;
/* 注意这里，jdk加速资源清理 */
threadLocals = null;
inheritableThreadLocals = null;
inheritedAccessControlContext = null;
blocker = null;
uncaughtExceptionHandler = null;
}
因此，如果我们使用线程池，那就意味着当前线程未必会退出（比如固定大小的线程池，线程总是存在）。如果这样，将一些大大的对象设置到ThreadLocal中（它实际保存在线程持有的threadLocals Map内），可能会使系统出现内存泄露的可能（这里我的意思是：你设置了对象到ThreadLocal中，但是不清理它，在你使用几次后，这个对象也不再有用了，但是它却无法被回收）。
此时，如果你希望及时回收对象，最好使用ThreadLocal.remove()方法将这个变量移除。就像我们习惯性地关闭数据库连接一样。如果你确实不需要这个对象了，那么就应该告诉虚拟机，请把它回收掉，防止内存泄露。
另外一种有趣的情况是JDK也可能允许你像释放普通变量一样释放ThreadLocal。比如，<font color=red>我们有时候为了加速垃圾回收，会特意写出类似obj=null之类的代码。如果这么做，obj所指向的对象就会更容易地被垃圾回收器发现，从而加速回收</font>。
同理，如果对于ThreadLocal的变量，我们也手动将其设置为null，比如tl=null，那么这个ThreadLocal对应的所有线程的局部变量都有可能被回收。这里面的奥秘是什么呢？先来看一个简单的例子：
01 public class ThreadLocalDemo_Gc {
02 static volatile ThreadLocal＜SimpleDateFormat＞ tl = new ThreadLocal＜SimpleDateFormat＞() {
03 protected void finalize() throws Throwable {//注意这里重载的是ThreadLocal
04 System.out.println(this.toString() + " is gc");
05 }
06 };
07 static volatile CountDownLatch cd = new CountDownLatch(10000);
08 public static class ParseDate implements Runnable {
09 int i = 0;
10 public ParseDate(int i) {
11 this.i = i;
12 }
13 public void run() {
14 try {
15 if (tl.get() == null) {
16 tl.set(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss") {
17 protected void finalize() throws Throwable { //这里重载的是SimpleDateFormat
18 System.out.println(this.toString() + " is gc");
19 }
20 });
21 System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":create SimpleDateFormat");
22 }
23 Date t = tl.get().parse("2015-03-29 19:29:" + i % 60);
24 } catch (ParseException e) {
25 e.printStackTrace();
26 } finally {
27 cd.countDown();
28 }
29 }
30 }
31
32 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
33 ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);
34 for (int i = 0; i ＜ 10000; i++) {
35 es.execute(new ParseDate(i));
36 }
37 cd.await();
38 System.out.println("mission complete!!");
39 tl = null;
40 System.gc();
41 System.out.println("first GC complete!!");
42 //在设置ThreadLocal的时候，会清除ThreadLocalMap中的无效对象
43 tl = new ThreadLocal＜SimpleDateFormat＞();
44 cd = new CountDownLatch(10000);
45 for (int i = 0; i ＜ 10000; i++) {
46 es.execute(new ParseDate(i));
47 }
48 cd.await();
49 Thread.sleep(1000);
50 System.gc();
51 System.out.println("second GC complete!!");
52 }
53 }
上述案例是为了跟踪ThreadLocal对象以及内部SimpleDateFormat对象的垃圾回收。为此，我们在第3行和第17行，重载了finalize()方法。这样，我们在对象被回收时，就可以看到它们的踪迹。
在主函数main中，先后进行了两次任务提交，每次10000个任务。在第一次任务提交后，代码第39行，我们将tl设置为null，接着进行一次GC。接着，我们进行第2次任务提交，完成后，在第50行再进行一次GC。
如果你执行上述代码，则最有可能的一种输出如下：
10:create SimpleDateFormat
11:create SimpleDateFormat
13:create SimpleDateFormat
17:create SimpleDateFormat
14:create SimpleDateFormat
8:create SimpleDateFormat
16:create SimpleDateFormat
15:create SimpleDateFormat
12:create SimpleDateFormat
9:create SimpleDateFormat
mission complete!!
first GC complete!!
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$1@15f157b is gc //第一次gc 只有ThreadLocal被回收了
9:create SimpleDateFormat
8:create SimpleDateFormat
16:create SimpleDateFormat
13:create SimpleDateFormat
15:create SimpleDateFormat
10:create SimpleDateFormat
11:create SimpleDateFormat
14:create SimpleDateFormat
17:create SimpleDateFormat
12:create SimpleDateFormat
second GC complete!!
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc //第二次gc 第一次的所有SimpleDateFormat实例被回收
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is gc
geym.conc.ch4.tl.ThreadLocalDemo_Gc$ParseDate$1@4f76f1a0 is g
注意这些输出所代表的含义。首先，线程池中10个线程都各自创建了一个SimpleDateFormat对象实例。接着进行第一次GC，可以看到ThreadLocal对象被回收了（这里使用了匿名类，所以类名看起来有点怪，这个类就是第2行创建的tl对象）。接着提交了第2次任务，这次一样也创建了10个SimpleDateFormat对象。然后，进行第2次GC。可以看到，在第2次GC后，第一次创建的10个SimpleDateFormat子类实例全部被回收。可以看到，虽然我们没有手工remove()这些对象，但是系统依然有可能回收它们（注意，这段代码是在JDK 7中输出的，在JDK 8中，你也许得不到类似的输出，大家可以比较两个JDK版本之间线程持有ThreadLocal变量的不同）。
要了解这里的回收机制，我们需要更进一步了解Thread.ThreadLocalMap的实现。之前我们说过，ThreadLocalMap是一个类似HashMap的东西。更精确地说，它更加类似<font color=red>WeakHashMap</font>。
ThreadLocalMap的实现使用了弱引用。弱引用是比强引用弱得多的引用。Java虚拟机在垃圾回收时，如果发现弱引用，就会立即回收。ThreadLocalMap内部由一系列Entry构成，每一个Entry都是WeakReference＜ThreadLocal＞：
static class Entry extends WeakReference＜ThreadLocal＞ {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
这里的参数k就是Map的key，v就是Map的value。<font color=red>其中k也就是ThreadLocal实例，作为弱引用使用（super(k)就是调用了WeakReference的构造函数）。因此，虽然这里使用ThreadLocal作为Map的key，但是实际上，它并不真的持有ThreadLocal的引用。而当ThreadLocal的外部强引用被回收时，ThreadLocalMap中的key就会变成null。当系统进行ThreadLocalMap清理时（比如将新的变量加入表中，就会自动进行一次清理，虽然JDK不一定会进行一次彻底的扫描，但显然在我们这个案例中，它奏效了），就会自然将这些垃圾数据回收</font>。
这里解释一下上面ThreadLocal实例回收：
首先ThreadLocalMap内部由一系列Entry构成，每一个Entry都是WeakReference＜ThreadLocal＞，key为ThreadLocal实例，但是其为弱引用，一旦发生gc，所有虚引用都会被回收，那么此时key都被回收了，但是value没有被回收，此时ThreadLocalMap中的key就会变成null。将新的变量加入表中，就会自动进行一次清理（虽然JDK不一定会进行一次彻底的扫描，但是也是有几率的）。
总结：
使用：
ThreadLocal虽然可以定义为成员变量，但是通过应用层合理的赋予局部变量，保证该局部变量只有该线程可以访问。
并发安全的原理：
ThreadLocal通过Thread类中的ThreadLocalMap容器保存所有局部变量，key为ThreadLocal，value为局部变量，所以每个线程只可以访问自己这条线程的数据，正因为他的key为当前线程，所以保证了每个线程只能访问自己的局部变量，因为他获取不到其他线程的线程id。
但是ThreadLocal的并发安全是通过应用层实现的，即value必须是局部变量，不能是共享变量。
回收：
ThreadLocalMap内部由一系列Entry构成，每一个Entry都是WeakReference＜ThreadLocal＞，key为ThreadLocal实例，但是其为弱引用，一旦发生gc，所有虚引用都会被回收，那么此时key都被回收了，但是value没有被回收，此时ThreadLocalMap中的key就会变成null。将新的变量加入表中，就会自动进行一次清理（虽然JDK不一定会进行一次彻底的扫描，但是也是有几率的）。
