Spring如何处理线程并发

我们知道Spring通过各种DAO模板类降低了开发者使用各种数据持久技术的难度。这些模板类都是线程安全的，也就是说，多个DAO可以复用同一个模板实例而不会发生冲突。
我们使用模板类访问底层数据，根据持久化技术的不同，模板类需要绑定数据连接或会话的资源。但这些资源本身是非线程安全的，也就是说它们不能在同一时刻被多个线程共享。
虽然模板类通过资源池获取数据连接或会话，但资源池本身解决的是数据连接或会话的缓存问题，并非数据连接或会话的线程安全问题。
按照传统经验，如果某个对象是非线程安全的，在多线程环境下，对对象的访问必须采用synchronized进行线程同步。但Spring的DAO模板类并未采用线程同步机制，因为线程同步限制了并发访问，会带来很大的性能损失。
此外，通过代码同步解决性能安全问题挑战性很大，可能会增强好几倍的实现难度。那模板类究竟仰丈何种魔法神功，可以在无需同步的情况下就化解线程安全的难题呢？答案就是ThreadLocal！
ThreadLocal在Spring中发挥着重要的作用，在管理request作用域的Bean、事务管理、任务调度、AOP等模块都出现了它们的身影，起着举足轻重的作用。要想了解Spring事务管理的底层技术，ThreadLocal是必须攻克的山头堡垒。
ThreadLocal是什么
早在JDK1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。
ThreadLocal很容易让人望文生义，想当然地认为是一个“本地线程”。其实，ThreadLocal并不是一个Thread，而是Thread的局部变量，也许把它命名为ThreadLocalVariable更容易让人理解一些。
当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。
从线程的角度看，目标变量就象是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。
线程局部变量并不是Java的新发明，很多语言（如IBM IBM XLFORTRAN）在语法层面就提供线程局部变量。在Java中没有提供在语言级支持，而是变相地通过ThreadLocal的类提供支持。
所以，在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些，因此造成线程局部变量没有在Java开发者中得到很好的普及。
ThreadLocal的接口方法
ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：
void set(Object value)
设置当前线程的线程局部变量的值。
public Object get()
该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
public void remove()
将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
protected Object initialValue()
返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。


值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已经支持泛型，该类的类名已经变为ThreadLocal<T>。API方法也相应进行了调整，新版本的API方法分别是voidset(T value)、T get()以及T initialValue()。
ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢？其实实现的思路很简单：在ThreadLocal类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。我们自己就可以提供一个简单的实现版本：

// 代码清单1 SimpleThreadLocal
class SimpleThreadLocal {
    private MapvalueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
    public voidset(Object newValue) {
       valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);//①键为线程对象，值为本线程的变量副本
    }
    publicObject get() {
       Thread currentThread = Thread.currentThread();
       Object o = valueMap.get(currentThread);// ②返回本线程对应的变量
       if (o == null &&!valueMap.containsKey(currentThread)) {// ③如果在Map中不存在，放到Map
           // 中保存起来。
           o = initialValue();
           valueMap.put(currentThread, o);
       }
       return o;
    }
    public voidremove() {
       valueMap.remove(Thread.currentThread());
    }
    publicObject initialValue() {
       return null;
    }
}

 

虽然代码清单9?3这个ThreadLocal实现版本显得比较幼稚，但它和JDK所提供的ThreadLocal类在实现思路上是相近的。
一个TheadLocal实例
下面，我们通过一个具体的实例了解一下ThreadLocal的具体使用方法

package threadLocalDemo;
public class SequenceNumber {
    //①通过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
    privatestatic ThreadLocal<Integer> seqNum =new ThreadLocal<Integer>() {
       public Integer initialValue() {
           return 0;
       }
    };
    //②获取下一个序列值
    public intgetNextNum() {
       seqNum.set(seqNum.get() + 1);
       return seqNum.get();
    }
    publicstatic void main(String[] args)
    {
       SequenceNumber sn = new SequenceNumber();
       // ③ 3个线程共享sn，各自产生序列号
       TestClient t1 = new TestClient(sn);
       TestClient t2 = new TestClient(sn);
       TestClient t3 = new TestClient(sn);
       t1.start();
       t2.start();
       t3.start();
    }
    privatestatic class TestClient extends Thread
    {
       private SequenceNumber sn;
       public TestClient(SequenceNumber sn) {
           this.sn = sn;
       }
       public void run()
       {
           for (int i = 0; i < 3; i++) {
               // ④每个线程打出3个序列值
               System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName()+"]sn[" + sn.getNextNum() + "]");
           }
       }
    }
}

 

通常我们通过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类，提供初始的变量值，如例子中①处所示。TestClient线程产生一组序列号，在③处，我们生成3个TestClient，它们共享同一个SequenceNumber实例。运行以上代码，在控制台上输出以下的结果：
thread[Thread-2] sn[1]
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-1] sn[1]
thread[Thread-2] sn[2]
thread[Thread-0] sn[2]
thread[Thread-1] sn[2]
thread[Thread-2] sn[3]
thread[Thread-0] sn[3]
thread[Thread-1] sn[3]
考察输出的结果信息，我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个SequenceNumber实例，但它们并没有发生相互干扰的情况，而是各自产生独立的序列号，这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。
Thread同步机制的比较
ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢？ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。
在同步机制中，通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写，什么时候需要锁定某个对象，什么时候释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。
而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。
由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象，需要强制类型转换。但JDK5.0通过泛型很好的解决了这个问题，在一定程度地简化ThreadLocal的使用，代码清单 9 2就使用了JDK5.0新的ThreadLocal<T>版本。
概括起来说，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。
Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题
我们知道在一般情况下，只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非线程安全状态采用ThreadLocal进行处理，让它们也成为线程安全的状态，因为有状态的Bean就可以在多线程中共享了。
一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次，在不同的层中编写对应的逻辑，下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下，从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程，如图9?2所示：

图1同一线程贯通三层
这样你就可以根据需要，将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放，在同一次请求响应的调用线程中，所有关联的对象引用到的都是同一个变量。
下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路：
代码清单3 TopicDao：非线程安全

 

public class TopicDao {
private Connection conn;①一个非线程安全的变量
public void addTopic(){
Statement stat = conn.createStatement();②引用非线程安全变量
…
}
}

 

由于①处的conn是成员变量，因为addTopic()方法是非线程安全的，必须在使用时创建一个新TopicDao实例（非singleton）。下面使用ThreadLocal对conn这个非线程安全的“状态”进行改造：
代码清单4 TopicDao：线程安全

 

package threadLocalDemo;
import java.sql.Connection;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Statement;
public class SqlConnection {
    //①使用ThreadLocal保存Connection变量
    privatestatic ThreadLocal<Connection>connThreadLocal = newThreadLocal<Connection>();
    publicstatic Connection getConnection() {
       // ②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection，
       // 并将其保存到线程本地变量中。
       if (connThreadLocal.get() == null) {
           Connection conn = getConnection();
           connThreadLocal.set(conn);
           return conn;
       } else {
           return connThreadLocal.get();
           // ③直接返回线程本地变量
       }
    }
    public voidaddTopic() {
       // ④从ThreadLocal中获取线程对应的Connection
       try {
           Statement stat = getConnection().createStatement();
       } catch (SQLException e) {
           e.printStackTrace();
       }
    }
}