Java 多线程同步问题的探究（五、你有我有全都有—— ThreadLocal如何解决并发安全性？）【更新重要补疑】

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thread

前面我们介绍了Java当中多个线程抢占一个共享资源的问题。但不论是同步还是重入锁，都不能实实在在的解决资源紧缺的情况，这些方案只是靠制定规则来约束线程的行为，让它们不再拼命的争抢，而不是真正从实质上解决他们对资源的需求。

在JDK 1.2当中，引入了java.lang.ThreadLocal。它为我们提供了一种全新的思路来解决线程并发的问题。但是他的名字难免让我们望文生义：本地线程？

什么是本地线程？
本地线程开玩笑的说：不要迷恋哥，哥只是个传说。

其实ThreadLocal并非Thread at Local，而是LocalVariable in a Thread。

根据WikiPedia上的介绍，ThreadLocal其实是源于一项多线程技术，叫做Thread Local Storage，即线程本地存储技术。不仅仅是Java，在C++、C#、.NET、Python、Ruby、Perl等开发平台上，该技术都已经得以实现。

当使用ThreadLocal 维护变量时，它会为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本。也就是说，他从根本上解决的是资源数量的问题，从而使得每个线程持有相对独立的资源。这样，当多个线程进行工作的时候，它们不需要纠结于同步的问题，于是性能便大大提升。但资源的扩张带来的是更多的空间消耗，ThreadLocal就是这样一种利用空间来换取时间的解决方案。

说了这么多，来看看如何正确使用ThreadLocal。

通过研究JDK文档，我们知道，ThreadLocal中有几个重要的方法：get()、set()、remove()、initailValue()，对应的含义分别是：
返回此线程局部变量的当前线程副本中的值、将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值、移除此线程局部变量当前线程的值、返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。

还记得我们在第三篇的上半节引出的那个例子么？几个线程修改同一个Student对象中的age属性。为了保证这几个线程能够工作正常，我们需要对Student的对象进行同步。

下面我们对这个程序进行一点小小的改造，我们通过继承Thread来实现多线程：

package sky.cn.test4;

import java.util.Random;

public class ThreadDemo3 extends Thread {
	private ThreadLocal<Student> stuLocal = new ThreadLocal<Student>();
	
	public ThreadDemo3(Student stu) {
		stuLocal.set(stu);
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		Student stu = new Student();
		ThreadDemo3 td31 = new ThreadDemo3(stu);
		ThreadDemo3 td32 = new ThreadDemo3(stu);
		ThreadDemo3 td33 = new ThreadDemo3(stu);
		td31.start();
		td32.start();
		td33.start();
	}
	
	public void run() {
		accessStudent();
	}
	
	public void accessStudent() {
		String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
		System.out.println(currentThreadName + " is running!!");
		Random random = new Random();
		int age = random.nextInt(100);
		System.out.println("Thread " + currentThreadName +
				" set age to: " + age);
		Student student = stuLocal.get();
		
		student.setAge(age);
		System.out.println("Thread " + currentThreadName +
				" first read age is: " + student.getAge());
		try {
			Thread.sleep(5000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("Thread " + currentThreadName + 
				" second read age is: " + student.getAge());
	}
}

而get方法则是首先得到当前线程的ThreadLocalMap对象，然后，根据ThreadLocal对象自身，取出相应的value。当然，如果在当前线程中取不到ThreadLocalMap对象，则尝试为当前线程创建ThreadLocalMap对象，并以ThreadLocal对象自身为 key，把initialValue()方法产生的对象作为value放入新创建的ThreadLocalMap中。

    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();
    }

    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;
    }

    protected T initialValue() {
        return null;
    }

这样，我们就明白上面的问题出在哪里：我们在main方法执行期间，试图在调用ThreadDemo3的构造器时向ThreadLocal置入 Student对象，而此时，以ThreadLocal对象为key，Student对象为value的Map是被放入当前的活动线程内的。也就是 Main线程。而当我们的3个ThreadDemo3线程运行起来以后，调用get()方法，都是试图从当前的活动线程中取得 ThreadLocalMap对象，但当前的活动线程显然已经不是Main线程了，于是，程序最终执行了ThreadLocal原生的 initialValue() 方法，返回了null。

讲到这里，我想不少朋友一定已经看出来了：ThreadLocal的initialValue()方法是需要被覆盖的。

于是，ThreadLocal的正确使用方法是：将ThreadLocal以内部类的形式进行继承，并覆盖原来的initialValue()方法，在这里产生可供线程拥有的本地变量值。

这样，我们就有了下面的正确例程：

package sky.cn.test4;

import java.util.Random;

public class ThreadDemo3 extends Thread {
	private ThreadLocal<Student> stuLocal = new ThreadLocal<Student>() {
		@Override
		protected Student initialValue() {
			return new Student();
		}
	};
	
	public ThreadDemo3() {
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		ThreadDemo3 td31 = new ThreadDemo3();
		ThreadDemo3 td32 = new ThreadDemo3();
		ThreadDemo3 td33 = new ThreadDemo3();
		td31.start();
		td32.start();
		td33.start();
	}
	
	public void run() {
		accessStudent();
	}
	
	public void accessStudent() {
		String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
		System.out.println(currentThreadName + " is running!!");
		Random random = new Random();
		int age = random.nextInt(100);
		System.out.println("Thread " + currentThreadName +
				" set age to: " + age);
		Student student = stuLocal.get();
		
		student.setAge(age);
		System.out.println("Thread " + currentThreadName +
				" first read age is: " + student.getAge());
		try {
			Thread.sleep(5000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("Thread " + currentThreadName + 
				" second read age is: " + student.getAge());
	}
}

********** 补疑 ******************

有的童鞋可能会问：“你这个Demo根本没体现出来，每个线程里都有一个ThreadLocal对象；应该是一个ThreadLocal对象对应多个线程，你这变成了一对一，完全没体现出ThreadLocal的作用。”

那么我们来看一下如何用一个ThreadLocal对象来对应多个线程：

package sky.cn.test4;

import java.util.Random;

public class ThreadDemo3 implements Runnable {
	private ThreadLocal<Student> stuLocal = new ThreadLocal<Student>() {
		@Override
		protected Student initialValue() {
			return new Student();
		}
	};
	
	public ThreadDemo3() {
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		ThreadDemo3 td3 = new ThreadDemo3();
		Thread t1 = new Thread(td3);
		Thread t2 = new Thread(td3);
		Thread t3 = new Thread(td3);
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
		
	}
	
	public void run() {
		accessStudent();
	}
	
	public void accessStudent() {
		String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
		System.out.println(currentThreadName + " is running!!");
		Random random = new Random();
		int age = random.nextInt(100);
		System.out.println("Thread " + currentThreadName +
				" set age to: " + age);
		Student student = stuLocal.get();
		
		student.setAge(age);
		System.out.println("Thread " + currentThreadName +
				" first read age is: " + student.getAge());
		try {
			Thread.sleep(5000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("Thread " + currentThreadName + 
				" second read age is: " + student.getAge());
	}
}

这里，多个线程对象都使用同一个实现了Runnable接口的ThreadDemo3对象来构造。这样，多个线程使用的ThreadLocal对象就是同一个。结果仍然是正确的。但是仔细回想一下，这两种实现方案有什么不同呢？

答案其实很简单，并没有本质上的不同。对于第一种实现，不同的线程对象当中ThreadLocalMap里面的KEY使用的是不同的 ThreadLocal对象。而对于第二种实现，不同的线程对象当中ThreadLocalMap里面的KEY是同一个ThreadLocal对象。但是从本质上讲，不同的线程对象都是利用其自身的ThreadLocalMap对象来对各自的Student对象进行封装，用ThreadLocal对象作为该ThreadLocalMap的KEY。所以说，“ThreadLocal的思想精髓就是为每个线程创建独立的资源副本。”这句话并不应当被理解成：一定要使用同一个ThreadLocal对象来对多个线程进行处理。因为真正用来封装变量的不是ThreadLocal。就算是你的程序中所有线程都共用同一个ThreadLocal对象，而你真正封装到ThreadLocalMap中去的仍然是.hashCode()方法返回不同值的不同对象。就好比线程就是房东，ThreadLocalMap就是房东的房子。房东通过ThreadLocal这个中介去和房子里的房客打交道，而房东不管要让房客住进去还是搬出来，都首先要经过ThreadLocal这个中介。

所以提到ThreadLocal，我们不应当顾名思义的认为JDK里面提供ThreadLocal就是提供了一个用来封装本地线程存储的容器，它本身并没有Map那样的容器功能。真正发挥作用的是ThreadLocalMap。也就是说，事实上，采用ThreadLocal来提高并发行，首先要理解，这不是一种简单的对象封装，而是一套机制，而这套机制中的三个关键因素（Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap）之间的关系是值得我们引起注意的。

**************** 补疑完毕 ***************************

可见，要正确使用ThreadLocal，必须注意以下几点：

1. 总是对ThreadLocal中的initialValue()方法进行覆盖。

2. 当使用set()或get()方法时牢记这两个方法是对当前活动线程中的ThreadLocalMap进行操作，一定要认清哪个是当前活动线程！

3. 适当的使用泛型，可以减少不必要的类型转换以及可能由此产生的问题。

运行该程序，我们发现：程序的执行过程只需要5秒，而如果采用同步的方法，程序的执行结果相同，但执行时间需要15秒。以前是多个线程为了争取一个资源，不得不在同步规则的制约下互相谦让，浪费了一些时间。

现在，采用ThreadLocal机制以后，可用的资源多了，你有我有全都有，所以，每个线程都可以毫无顾忌的工作，自然就提高了并发性，线程安全也得以保证。

当今很多流行的开源框架也采用ThreadLocal机制来解决线程的并发问题。比如大名鼎鼎的 Struts 2.x 和 Spring 等。

把ThreadLocal这样的话题放在我们的同步机制探讨中似乎显得不是很合适。但是ThreadLocal的确为我们解决多线程的并发问题带来了全新的思路。它为每个线程创建一个独立的资源副本，从而将多个线程中的数据隔离开来，避免了同步所产生的性能问题，是一种“以空间换时间 ”的解决方案。
但这并不是说ThreadLocal就是包治百病的万能药了。如果实际的情况不允许我们为每个线程分配一个本地资源副本的话，同步还是非常有意义的。
转载注明出处：http://x- spirit.javaeye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
好了，本系列到此马上就要划上一个圆满的句号了。不知大家有什么意见和疑问没有。希望看到你们的留言。

下一讲中我们就来对之前的内容进行一个总结，顺便讨论一下被遗忘的volatile关键字。敬请期待。

来源： http://www.blogjava.net/zhangwei217245/archive/2010/04/24/317651.html#317694

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