ThreadLocal

ThreadLocal是什么
　　ThreadLocal是什么呢？其实ThreadLocal并非是一个线程的本地实现版本，它并不是一个Thread，而是thread local variable（线程局部变量）。也许把它命名为ThreadLocalVar更加合适。线程局部变量（ThreadLocal）其实的功用非常简单，就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，是每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会和其它线程的副本冲突。从线程的角度看，就好像每一个线程都完全拥有该变量。线程局部变量并不是Java的新发明，在其它的一些语言编译器实现（如IBM XL FORTRAN）中，它在语言的层次提供了直接的支持。因为Java中没有提供在语言层次的直接支持，而是提供了一个ThreadLocal的类来提供支持，所以，在Java中编写线程局部变量的代码相对比较笨拙，这也许是线程局部变量没有在Java中得到很好的普及的一个原因吧。

在这篇文章中，总结了一下面试过程中遇到的关于ThreadLocal的内容。总体上说，这样回答，面试算是过得去了。但是，这样的回答，明显仅仅是背会了答案，而没有去研究ThreadLocal的最根本的实现原理。

一共有两个问题。

1、每个线程的变量副本是存储在哪里的？

2、变量副本是怎么从共享的那个变量赋值出来的？源码中的threadlocal的初始值是什么时机设置的？

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最关键的问题是：ThreadLocal是怎么实现了多个线程之间每个线程一个变量副本的？它是如何实现共享变量的。

ThreadLocal提供了set和get访问器用来访问与当前线程相关联的线程局部变量。

可以从ThreadLocal的get函数中看出来，其中getmap函数是用t作为参数，这里t就是当前执行的线程。

从而得知，get函数就是从当前线程的threadlocalmap中取出当前线程对应的变量的副本【注意，变量是保存在线程中的，而不是保存在ThreadLocal变量中】。当前线程中，有一个变量引用名字是threadLocals，这个引用是在ThreadLocal类中createmap函数内初始化的。每个线程都有一个这样的threadLocals引用的ThreadLocalMap，以ThreadLocal和ThreadLocal对象声明的变量类型作为参数。这样，我们所使用的ThreadLocal变量的实际数据，通过get函数取值的时候，就是通过取出Thread中threadLocals引用的map，然后从这个map中根据当前threadLocal作为参数，取出数据。现在，变量的副本从哪里取出来的（本文章提出的第一个问题）已经确认解决了。

【ThreadLocal整体上给我的感觉就是，一个包装类。声明了这个类的对象之后，每个线程的数据其实还是在自己线程内部通过threadLocals引用到的自己的数据。只是通过ThreadLocal访问这个数据而已】

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那么还剩下第二个问题。变量副本是什么时候“复制”到threadlocal中的呢？这里“复制”两个字用的很不专业。准确的说，应该是，变量副本【每个线程中保存的那个map中的变量】是怎么声明和初始化的？

看下面set函数的源码：


当线程中的threadlocalmap是null的时候，会调用createmap创建一个map。同时根据函数参数设置上初始值。也就是说，当前线程的threadlocalmap是在第一次调用set的时候创建map并且设置上相应的值的。

对于这篇文章中的例子，每个线程打印的东西都是相互独立的，是因为SequenceNumber的getNextNum()函数中先set了一个值，再get。写到这里，终于清楚了ThreadLocal的运作方法了。

解释如下：

1、在代码中声明的ThreadLocal对象，实际上只有一个。

2、在每个线程中，都维护了一个threadlocals对象，在没有ThreadLocal变量的时候是null的。一旦在ThreadLocal的createMap函数中初始化之后，这个threadlocals就初始化了。以后每次那个ThreadLocal对象想要访问变量的时候，比如set函数和get函数，都是先通过getMap(t)函数，先将线程的map取出，然后再从这个在线程（Thread）中维护的map中取出数据【以当前threadlocal作为参数】。

到此，第二个问题也解决了。

从这个函数中可以看出来，Thread中的threadlocals变量是在ThreadLocal对象中调用createMap函数来初始化的。其实在Thread的代码中可以搜搜看，是没有threadlocals这个变量的很多应用场景的。主要就是用在ThreadLocal中用来set和get函数中。

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那么上面的问题解决之后，又来了一个问题。不同的线程局部变量，比如说声明了n个(n>=2)这样的线程局部变量threadlocal，那么在Thread中的threadlocals中是怎么存储的呢？threadlocalmap中是怎么操作的？

在ThreadLocal的set函数中，可以看到，其中的map.set(this, value);把当前的threadlocal传入到map中作为键，也就是说，在不同的线程的threadlocals变量中，都会有一个以你所声明的那个线程局部变量threadlocal作为键的key-value。假设说声明了N个这样的线程局部变量变量，那么在线程的ThreadLocalMap中就会有n个分别以你的线程局部变量作为key的键值对。

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至此，所有的关于threadlocal的问题都已经解决了。



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二 问题的引出
Spring通过各种DAO模板类降低了研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能够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，也就是说他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，假如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，能够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等模块都出现了他们的身影，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。
三 什么是ThreadLocal变量？

    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 XL FORTRAN）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。
四 ThreadLocal与同步Synchronized的比较与区别

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。所有这些都是因为多个线程共享了资源造成的。

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JDK 5.0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，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

ThreadLocal是解决线程安全问题一个很好的思路，它通过为每个线程提供一个独立的变量副本解决了变量并发访问的冲突问题。在很多情况下，ThreadLocal比直接使用synchronized同步机制解决线程安全问题更简单，更方便，且结果程序拥有更高的并发性。


五 Spring中数据库模板中是如何使用ThreadLocal的？
Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题。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。
下面的实例能够体现Spring对有状态Bean的改造思路：
代码1 TopicDao：非线程安全
[java] view plain copy

    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 TopicDao：线程安全
[java] view plain copy

    import java.sql.Connection; 
    import java.sql.Statement; 
      
    public class TopicDao { 
    ①使用ThreadLocal保存Connection变量 
    private static ThreadLocal connThreadLocal = new ThreadLocal(); 
    public static 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 = ConnectionManager.getConnection(); 
    connThreadLocal.set(conn); 
    return conn; 
    }else{ 
    return connThreadLocal.get();③直接返回线程本地变量 
    } 
    } 
    public void addTopic() { 
    ④从ThreadLocal中获取线程对应的Connection 
    Statement stat = getConnection().createStatement(); 
    } 
    } 



不同的线程在使用TopicDao时，先判断connThreadLocal.get()是否是null，如果是null，则说明当前线程还没有对应的Connection对象，这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中；如果不为null，则说明当前的线程已经拥有了Connection对象，直接使用就可以了。这样，就保证了不同的线程使用线程相关的Connection，而不会使用其它线程的Connection。因此，这个TopicDao就可以做到singleton共享了。
当然，这个例子本身很粗糙，将Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题，但无法和其它DAO共用同一个Connection，要做到同一事务多DAO共享同一Connection，必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。
六 ThreadLocal深入剖析
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)
配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JDK 5.0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，但他能够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，该方法是个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是个延迟调用方法，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。
简化版JDK中的ThreadLocal类：

[java] view plain copy

    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; 
    } 
    }