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
Java 代码

   1. public class Student { 
   2.   private int age=0; 
   3.    
   4.   public int getAge() { 
   5.       return this.age; 
   6.        
   7.   } 
   8.    
   9.   public void setAge(int age) { 
  10.       this.age = age; 
  11.   } 
  12. } 

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

   1. public class ThreadDemo implements Runnable{ 
   2.   Student student = new Student(); 
   3.   public static void main(String[] agrs) { 
   4.      ThreadDemo td = new ThreadDemo(); 
   5.      Thread t1 = new Thread(td,"a"); 
   6.      Thread t2 = new Thread(td,"b"); 
   7.     t1.start(); 
   8.     t2.start(); 
   9.  
  10.   } 
  11. /* (non-Javadoc)
  12.  * @see java.lang.Runnable#run()
  13.  */ 
  14.  public void run() { 
  15.      accessStudent(); 
  16.  } 
  17.   
  18.  public void accessStudent() { 
  19.         String currentThreadName = Thread.currentThread().getName(); 
  20.         System.out.println(currentThreadName+" is running!"); 
  21.        // System.out.println("first  read age is:"+this.student.getAge()); 
  22.         Random random = new Random(); 
  23.         int age = random.nextInt(100); 
  24.         System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age); 
  25.         
  26.         this.student.setAge(age); 
  27.         System.out.println("thread "+currentThreadName+" first  read age is:"+this.student.getAge()); 
  28.         try { 
  29.         Thread.sleep(5000); 
  30.         } 
  31.         catch(InterruptedException ex) { 
  32.             ex.printStackTrace(); 
  33.         } 
  34.         System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge()); 
  35.           
  36.  } 
  37.    
  38. } 

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

   1. synchronized(this) { 
   2. Random random = new Random(); 
   3. int age = random.nextInt(100); 
   4. System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age); 
   5.  
   6. this.student.setAge(age); 
   7.  
   8. System.out.println("thread "+currentThreadName+" first  read age is:"+this.student.getAge()); 
   9. try { 
  10. Thread.sleep(5000); 
  11. } 
  12. catch(InterruptedException ex) { 
  13.     ex.printStackTrace(); 
  14. } 
  15. } 

    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

   1. try { 
   2. this.count++; 
   3. Thread.sleep(5000); 
   4. }catch(InterruptedException ex) { 
   5.     ex.printStackTrace(); 
   6. } 

    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

   1.    String currentThreadName = Thread.currentThread().getName(); 
   2. System.out.println(currentThreadName+" is running!"); 
   3.   try { 
   4. this.count++; 
   5. Thread.sleep(5000); 
   6. }catch(InterruptedException ex) { 
   7.     ex.printStackTrace(); 
   8. } 
   9.  System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count); 
  10.  
  11.  
  12. synchronized(this) { 
  13. Random random = new Random(); 
  14. int age = random.nextInt(100); 
  15. System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age); 
  16.  
  17. this.student.setAge(age); 
  18.  
  19. System.out.println("thread "+currentThreadName+" first  read age is:"+this.student.getAge()); 
  20. try { 
  21. Thread.sleep(5000); 
  22. } 
  23. catch(InterruptedException ex) { 
  24.     ex.printStackTrace(); 
  25. } 
  26. } 
  27. System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge()); 

       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

   1. synchronized(this) { 
   2.   try { 
   3.   this.count++; 
   4.   Thread.sleep(5000); 
   5.   }catch(InterruptedException ex) { 
   6.     ex.printStackTrace(); 
   7.   } 
   8.   } 
   9.   System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count); 
  10.    
  11.   
  12.   synchronized(this) { 
  13.   Random random = new Random(); 
  14.   int age = random.nextInt(100); 
  15.   System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age); 
  16.   
  17.   this.student.setAge(age); 
  18.   
  19.   System.out.println("thread "+currentThreadName+" first  read age is:"+this.student.getAge()); 
  20.   try { 
  21.   Thread.sleep(5000); 
  22.   } 
  23.   catch(InterruptedException ex) { 
  24.     ex.printStackTrace(); 
  25.   } 
  26.   } 
  27.   System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge()); 
  28.   long endTime = System.currentTimeMillis(); 
  29.   long spendTime = endTime - startTime; 
  30.   System.out.println("花费时间："+spendTime +"毫秒"); 

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

   1.  private Object studentLock = new Object(); 
   2. private Object countLock = new Object(); 
   3.  
   4. accessStudent() 方法如下： 
   5.      long startTime = System.currentTimeMillis(); 
   6.         String currentThreadName = Thread.currentThread().getName(); 
   7.         System.out.println(currentThreadName+" is running!"); 
   8.        // System.out.println("first  read age is:"+this.student.getAge()); 
   9.  
  10.          synchronized(countLock) { 
  11.         try { 
  12.         this.count++; 
  13.         Thread.sleep(5000); 
  14.         }catch(InterruptedException ex) { 
  15.             ex.printStackTrace(); 
  16.         } 
  17.         } 
  18.         System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count); 
  19.          
  20.         
  21.         synchronized(studentLock) { 
  22.         Random random = new Random(); 
  23.         int age = random.nextInt(100); 
  24.         System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age); 
  25.         
  26.         this.student.setAge(age); 
  27.         
  28.         System.out.println("thread "+currentThreadName+" first  read age is:"+this.student.getAge()); 
  29.         try { 
  30.         Thread.sleep(5000); 
  31.         } 
  32.         catch(InterruptedException ex) { 
  33.             ex.printStackTrace(); 
  34.         } 
  35.         } 
  36.         System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge()); 
  37.         long endTime = System.currentTimeMillis(); 
  38.         long spendTime = endTime - startTime; 
  39.         System.out.println("花费时间："+spendTime +"毫秒"); 

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

   1. protected Student getStudent() { 
   2.     Student student = (Student)studentLocal.get(); 
   3.     if(student == null) { 
   4.         student = new Student(); 
   5.         studentLocal.set(student); 
   6.     } 
   7.     return student; 
   8. } 
   9.  
  10. protected void setStudent(Student student) { 
  11.     studentLocal.set(student); 
  12. } 

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

   1. public class TreadLocalDemo implements Runnable { 
   2.    private final static  ThreadLocal studentLocal = new ThreadLocal(); 
   3.     
   4.    public static void main(String[] agrs) { 
   5.        TreadLocalDemo td = new TreadLocalDemo(); 
   6.          Thread t1 = new Thread(td,"a"); 
   7.          Thread t2 = new Thread(td,"b"); 
   8.          
   9.         t1.start(); 
  10.         t2.start(); 
  11.         
  12.         
  13.  
  14.  
  15.       } 
  16.     
  17.     /* (non-Javadoc)
  18.      * @see java.lang.Runnable#run()
  19.      */ 
  20.     public void run() { 
  21.          accessStudent(); 
  22.     } 
  23.  
  24.     public  void  accessStudent() { 
  25.          
  26.         String currentThreadName = Thread.currentThread().getName(); 
  27.         System.out.println(currentThreadName+" is running!"); 
  28.         Random random = new Random(); 
  29.         int age = random.nextInt(100); 
  30.         System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age); 
  31.         Student student = getStudent(); 
  32.         student.setAge(age); 
  33.         System.out.println("thread "+currentThreadName+" first  read age is:"+student.getAge()); 
  34.         try { 
  35.         Thread.sleep(5000); 
  36.         } 
  37.         catch(InterruptedException ex) { 
  38.             ex.printStackTrace(); 
  39.         } 
  40.         System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+student.getAge()); 
  41.          
  42.     } 
  43.      
  44.     protected Student getStudent() { 
  45.         Student student = (Student)studentLocal.get(); 
  46.         if(student == null) { 
  47.             student = new Student(); 
  48.             studentLocal.set(student); 
  49.         } 
  50.         return student; 
  51.     } 
  52.      
  53.     protected void setStudent(Student student) { 
  54.         studentLocal.set(student); 
  55.     } 
  56. } 

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

   1. public class ThreadLocal 
   2. { 
   3. 　private Map values = Collections.synchronizedMap(new HashMap()); 
   4. 　public Object get() 
   5. 　 { 
   6. 　　Thread curThread = Thread.currentThread();  
   7. 　　Object o = values.get(curThread);  
   8. 　　if (o == null && !values.containsKey(curThread)) 
   9. 　　{ 
  10. 　　　o = initialValue(); 
  11. 　　　values.put(curThread, o);  
  12. 　　} 
  13. 　　return o;  
  14. 　 } 
  15.  
  16. 　public void set(Object newValue) 
  17. 　 { 
  18. 　　 values.put(Thread.currentThread(), newValue); 
  19. 　 } 
  20.  
  21. 　public Object initialValue() 
  22. 　 { 
  23. 　　return null;  
  24. 　} 
  25. } 

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。