ThreadLocal与synchronized多线程并发访问区别【转】

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Java良好的支持多线程。使用java,我们可以很轻松的编程一个多线程程序。但是使用多线程可能会引起并发访问的问题。synchronized和ThreadLocal都是用来解决多线程并发访问的问题。大家可能对synchronized较为熟悉，而对ThreadLocal就要陌生得多了。
并发问题。当一个对象被两个线程同时访问时，可能有一个线程会得到不可预期的结果。

一个简单的java类Studnet
Java代码
public class Student {  
  private int age=0;  
    
  public int getAge() {  
      return this.age;  
        
   }  
    
  public void setAge(int age) {  
      this.age = age;  
   }  
} 

一个多线程类ThreadDemo.
这个类有一个Student的私有变量,在run方法中，它随机产生一个整数。然后设置到student变量中,从student中读取设置后的值。然后睡眠5秒钟，最后再次读student的age值。

Java代码
public class ThreadDemo implements Runnable{  
   Student student = new Student();  
  public static void main(String[] agrs) {  
      ThreadDemo td = new ThreadDemo();  
      Thread t1 = new Thread(td,"a");  
      Thread t2 = new Thread(td,"b");  
     t1.start();  
     t2.start();  
 
   }  
/* (non-Javadoc)
* @see java.lang.Runnable#run()
*/ 
public void run() {  
      accessStudent();  
}  
 
public void accessStudent() {  
         String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();  
         System.out.println(currentThreadName+" is running!");  
       // System.out.println("first   read age is:"+this.student.getAge());  
         Random random = new Random();  
        int age = random.nextInt(100);  
         System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);  
         
        this.student.setAge(age);  
         System.out.println("thread "+currentThreadName+" first   read age is:"+this.student.getAge());  
        try {  
         Thread.sleep(5000);  
         }  
        catch(InterruptedException ex) {  
             ex.printStackTrace();  
         }  
         System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge());  
           
}  
    
} 
运行这个程序,屏幕输出如下:
a is running!
b is running!
thread b set age to:33
thread b first read age is:33
thread a set age to:81
thread a first read age is:81
thread b second read age is:81
thread a second read age is:81

需要注意的是，线程a在同一个方法中，第一次读取student的age值与第二次读取值不一致。这就是出现了并发问题。

synchronized
上面的例子，我们模似了一个并发问题。Java提供了同步机制来解决并发问题。synchonzied关键字可以用来同步变量，方法，甚至同步一个代码块。
使用了同步后，一个线程正在访问同步对象时，另外一个线程必须等待。
Synchronized同步方法
现在我们可以对accessStudent方法实施同步。
public synchronized void accessStudent()
再次运行程序，屏幕输出如下：
a is running!
thread a set age to:49
thread a first read age is:49
thread a second read age is:49
b is running!
thread b set age to:17
thread b first read age is:17
thread b second read age is:17

加上了同步后，线程b必须等待线程a执行完毕后，线程b才开始执行。

对方法进行同步的代价是非常昂贵的。特别是当被同步的方法执行一个冗长的操作。这个方法执行会花费很长的时间,对这样的方法进行同步可能会使系统性能成数量级的下降。

Synchronized同步块
在accessStudent方法中，我们真实需要保护的是student变量，所以我们可以进行一个更细粒度的加锁。我们仅仅对student相关的代码块进行同步。
Java代码
synchronized(this) {  
Random random = new Random();  
int age = random.nextInt(100);  
System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);  
 
this.student.setAge(age);  
 
System.out.println("thread "+currentThreadName+" first   read age is:"+this.student.getAge());  
try {  
Thread.sleep(5000);  
}  
catch(InterruptedException ex) {  
     ex.printStackTrace();  
}  
} 
运行方法后，屏幕输出：
a is running!
thread a set age to:18
thread a first read age is:18
b is running!
thread a second read age is:18
thread b set age to:62
thread b first read age is:62
thread b second read age is:62

需要特别注意这个输出结果。
这个执行过程比上面的方法同步要快得多了。
只有对student进行访问的代码是同步的，而其它与部份代码却是异步的了。而student的值并没有被错误的修改。如果是在一个真实的系统中，accessStudent方法的操作又比较耗时的情况下。使用同步的速度几乎与没有同步一样快。

使用同步锁
稍微把上面的例子改一下，在ThreadDemo中有一个私有变量count，。
   private int count=0;
在accessStudent()中, 线程每访问一次，count都自加一次, 用来记数线程访问的次数。
Java代码
try {  
this.count++;  
Thread.sleep(5000);  
}catch(InterruptedException ex) {  
     ex.printStackTrace();  
} 
为了模拟线程，所以让它每次自加后都睡眠5秒。
accessStuden()方法的完整代码如下：

Java代码
    String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();  
System.out.println(currentThreadName+" is running!");  
  try {  
this.count++;  
Thread.sleep(5000);  
}catch(InterruptedException ex) {  
     ex.printStackTrace();  
}  
System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count);  
 
 
synchronized(this) {  
Random random = new Random();  
int age = random.nextInt(100);  
System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);  
 
this.student.setAge(age);  
 
System.out.println("thread "+currentThreadName+" first   read age is:"+this.student.getAge());  
try {  
Thread.sleep(5000);  
}  
catch(InterruptedException ex) {  
     ex.printStackTrace();  
}  
}  
System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge()); 
    运行程序后，屏幕输出:
a is running!
b is running!
thread a read count:2
thread a set age to:49
thread a first read age is:49
thread b read count:2
thread a second read age is:49
thread b set age to:7
thread b first read age is:7
thread b second read age is:7

我们仍然对student对象以synchronized(this)操作进行同步。
我们需要在两个线程中共享count失败。

所以仍然需要对count的访问进行同步操作。
Java代码
synchronized(this) {  
  try {  
  this.count++;  
   Thread.sleep(5000);  
   }catch(InterruptedException ex) {  
     ex.printStackTrace();  
   }  
   }  
   System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count);  
    
 
  synchronized(this) {  
   Random random = new Random();  
  int age = random.nextInt(100);  
   System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);  
 
  this.student.setAge(age);  
 
   System.out.println("thread "+currentThreadName+" first   read age is:"+this.student.getAge());  
  try {  
   Thread.sleep(5000);  
   }  
  catch(InterruptedException ex) {  
     ex.printStackTrace();  
   }  
   }  
   System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge());  
  long endTime = System.currentTimeMillis();  
  long spendTime = endTime - startTime;  
   System.out.println("花费时间："+spendTime +"毫秒"); 

程序运行后，屏幕输出
a is running!
b is running!
thread a read count:1
thread a set age to:97
thread a first read age is:97
thread a second read age is:97
花费时间：10015毫秒
thread b read count:2
thread b set age to:47
thread b first read age is:47
thread b second read age is:47
花费时间：20124毫秒

我们在同一个方法中，多次使用synchronized(this)进行加锁。有可能会导致太多额外的等待。
应该使用不同的对象锁进行同步。



设置两个锁对象，分别用于student和count的访问加锁。
Java代码
private Object studentLock = new Object();  
private Object countLock = new Object();  
 
accessStudent()方法如下：  
     long startTime = System.currentTimeMillis();  
         String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();  
         System.out.println(currentThreadName+" is running!");  
       // System.out.println("first   read age is:"+this.student.getAge());  
 
         synchronized(countLock) {  
        try {  
        this.count++;  
         Thread.sleep(5000);  
         }catch(InterruptedException ex) {  
             ex.printStackTrace();  
         }  
         }  
         System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count);  
          
         
        synchronized(studentLock) {  
         Random random = new Random();  
        int age = random.nextInt(100);  
         System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);  
         
        this.student.setAge(age);  
         
         System.out.println("thread "+currentThreadName+" first   read age is:"+this.student.getAge());  
        try {  
         Thread.sleep(5000);  
         }  
        catch(InterruptedException ex) {  
             ex.printStackTrace();  
         }  
         }  
         System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge());  
        long endTime = System.currentTimeMillis();  
        long spendTime = endTime - startTime;  
         System.out.println("花费时间："+spendTime +"毫秒"); 
这样对count和student加上了两把不同的锁。

运行程序后，屏幕输出：
a is running!
b is running!
thread a read count:1
thread a set age to:48
thread a first read age is:48
thread a second read age is:48
花费时间：10016毫秒
thread b read count:2
thread b set age to:68
thread b first read age is:68
thread b second read age is:68
花费时间：20046毫秒
与两次使用synchronized(this)相比，使用不同的对象锁，在性能上可以得到更大的提升。

由此可见synchronized是实现java的同步机制。同步机制是为了实现同步多线程对相同资源的并发访问控制。保证多线程之间的通信。
可见，同步的主要目的是保证多线程间的数据共享。同步会带来巨大的性能开销，所以同步操作应该是细粒度的。如果同步使用得当，带来的性能开销是微不足道的。使用同步真正的风险是复杂性和可能破坏资源安全,而不是性能。



ThreadLocal

由上面可以知道，使用同步是非常复杂的。并且同步会带来性能的降低。Java提供了另外的一种方式，通过ThreadLocal可以很容易的编写多线程程序。从字面上理解，很容易会把ThreadLocal误解为一个线程的本地变量。其它ThreadLocal并不是代表当前线程，ThreadLocal其实是采用哈希表的方式来为每个线程都提供一个变量的副本。从而保证各个线程间数据安全。每个线程的数据不会被另外线程访问和破坏。

我们把第一个例子用ThreadLocal来实现,但是我们需要些许改变。
Student并不是一个私有变量了，而是需要封装在一个ThreadLocal对象中去。调用ThreadLocal的set方法，ThreadLocal会为每一个线程都保持一份Student变量的副本。所以对student的读取操作都是通过ThreadLocal来进行的。

Java代码
protected Student getStudent() {  
     Student student = (Student)studentLocal.get();  
    if(student == null) {  
         student = new Student();  
         studentLocal.set(student);  
     }  
    return student;  
}  
 
protected void setStudent(Student student) {  
     studentLocal.set(student);  
} 

accessStudent()方法需要做一些改变。通过调用getStudent()方法来获得当前线程的Student变量，如果当前线程不存在一个Student变量，getStudent方法会创建一个新的Student变量，并设置在当前线程中。
    Student student = getStudent();
    student.setAge(age);
accessStudent()方法中无需要任何同步代码。

完整的代码清单如下：
TreadLocalDemo.java

Java代码
public class TreadLocalDemo implements Runnable {  
   private final static   ThreadLocal studentLocal = new ThreadLocal();  
     
   public static void main(String[] agrs) {  
        TreadLocalDemo td = new TreadLocalDemo();  
          Thread t1 = new Thread(td,"a");  
          Thread t2 = new Thread(td,"b");  
          
         t1.start();  
         t2.start();  
         
         
 
 
       }  
     
    /* (non-Javadoc)
      * @see java.lang.Runnable#run()
      */ 
    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 = getStudent();  
         student.setAge(age);  
         System.out.println("thread "+currentThreadName+" first   read age is:"+student.getAge());  
        try {  
         Thread.sleep(5000);  
         }  
        catch(InterruptedException ex) {  
             ex.printStackTrace();  
         }  
         System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+student.getAge());  
          
     }  
      
    protected Student getStudent() {  
         Student student = (Student)studentLocal.get();  
        if(student == null) {  
             student = new Student();  
             studentLocal.set(student);  
         }  
        return student;  
     }  
      
    protected void setStudent(Student student) {  
         studentLocal.set(student);  
     }  
} 
运行程序后，屏幕输出：
b is running!
thread b set age to:0
thread b first read age is:0
a is running!
thread a set age to:17
thread a first read age is:17
thread b second read age is:0
thread a second read age is:17

可见，使用ThreadLocal后，我们不需要任何同步代码，却能够保证我们线程间数据的安全。
而且，ThreadLocal的使用也非常的简单。
我们仅仅需要使用它提供的两个方法
void set(Object obj) 设置当前线程的变量的副本的值。
Object get() 返回当前线程的变量副本

另外ThreadLocal还有一个protected的initialValue()方法。返回变量副本在当前线程的初始值。默认为null

ThreadLocal是怎么做到为每个线程都维护一个变量的副本的呢？
我们可以猜测到ThreadLocal的一个简单实现

Java代码
public class ThreadLocal  
{  
　private Map values = Collections.synchronizedMap(new HashMap());  
　public Object get()  
　{  
　　Thread curThread = Thread.currentThread();  
　　Object o = values.get(curThread);  
　　if (o == null && !values.containsKey(curThread))  
　　{  
　　　o = initialValue();  
　　　values.put(curThread, o);  
　　}  
　　return o;  
　}  
 
　public void set(Object newValue)  
　{  
　　values.put(Thread.currentThread(), newValue);  
　}  
 
　public Object initialValue()  
　{  
　　return null;  
　}  
} 

由此可见，ThreadLocal通过一个Map来为每个线程都持有一个变量副本。这个map以当前线程为key。与synchronized相比，ThreadLocal是以空间换时间的策略来实现多线程程序。

Synchronized还是ThreadLocal?
ThreadLocal以空间换取时间，提供了一种非常简便的多线程实现方式。因为多个线程并发访问无需进行等待，所以使用ThreadLocal会获得更大的性能。虽然使用ThreadLocal会带来更多的内存开销，但这点开销是微不足道的。因为保存在ThreadLocal中的对象，通常都是比较小的对象。另外使用ThreadLocal不能使用原子类型，只能使用Object类型。ThreadLocal的使用比synchronized要简单得多。
ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。但是ThreadLocal与synchronized有本质的区别。synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问。而ThreadLocal为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。而Synchronized却正好相反，它用于在多个线程间通信时能够获得数据共享。
Synchronized用于线程间的数据共享，而ThreadLocal则用于线程间的数据隔离。
当然ThreadLocal并不能替代synchronized,它们处理不同的问题域。Synchronized用于实现同步机制，比ThreadLocal更加复杂。