ThreadLocal与synchronized

ThreadLocal与synchronized

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

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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

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

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。