线程同步机制Threadloacl

一、概述

    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threadlocalvariable(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Java中一种较为特殊的线程绑定机制，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，每个线程都保持一个对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收（除非存在对这些副本的其他引用）。

    通过ThreadLocal存取的数据，总是与当前线程相关，也就是说，JVM 为每个运行的线程，绑定了私有的本地实例存取空间，从而为多线程环境常出现的并发访问问题提供了一种隔离机制。

    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的副本。

    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。

二、API说明

ThreadLocal()  

    创建一个线程本地变量。

T get()  

    返回此线程局部变量的当前线程副本中的值，如果这是线程第一次调用该方法，则创建并初始化此副本。

protected  T initialValue()  

    返回此线程局部变量的当前线程的初始值。最多在每次访问线程来获得每个线程局部变量时调用此方法一次，即线程第一次使用 get() 方法访问变量的时候。如果线程先于 get 方法调用 set(T) 方法，则不会在线程中再调用 initialValue 方法。

    若该实现只返回 null；如果程序员希望将线程局部变量初始化为 null 以外的某个值，则必须为 ThreadLocal 创建子类，并重写此方法。通常，将使用匿名内部类。initialValue 的典型实现将调用一个适当的构造方法，并返回新构造的对象。

void remove()

    移除此线程局部变量的值。这可能有助于减少线程局部变量的存储需求。如果再次访问此线程局部变量，那么在默认情况下它将拥有其 initialValue。

void set(T value)

    将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。许多应用程序不需要这项功能，它们只依赖于 initialValue() 方法来设置线程局部变量的值。

    在程序中一般都重写initialValue方法，以给定一个特定的初始值。

三、典型实例

1、Hiberante的Session 工具类HibernateUtil

    这个类是Hibernate官方文档中HibernateUtil类，用于session管理。

 

public class HibernateUtil {

    private static Log log = LogFactory.getLog(HibernateUtil.class);

    private static final SessionFactory sessionFactory;     //定义SessionFactory

 

    static {
        try {
            // 通过默认配置文件hibernate.cfg.xml创建SessionFactory
            sessionFactory = new Configuration().configure().buildSessionFactory();
        } catch (Throwable ex) {
            log.error("初始化SessionFactory失败！", ex);
            throw new ExceptionInInitializerError(ex);
        }
    }

    //创建线程局部变量session，用来保存Hibernate的Session
    public static final ThreadLocal session = new ThreadLocal();

 

    /**
     * 获取当前线程中的Session
     * @return Session
     * @throws HibernateException
     */
    public static Session currentSession() throws HibernateException {
        Session s = (Session) session.get();
        // 如果Session还没有打开，则新开一个Session
        if (s == null) {
            s = sessionFactory.openSession();
            session.set(s);         //将新开的Session保存到线程局部变量中
        }
        return s;
    }

 

    public static void closeSession() throws HibernateException {
        //获取线程局部变量，并强制转换为Session类型
        Session s = (Session) session.get();
        session.set(null);
        if (s != null)
            s.close();
    }
}

    在这个类中，由于没有重写ThreadLocal的initialValue()方法，则首次创建线程局部变量session其初始值为null，第一次调用currentSession()的时候，线程局部变量的get()方法也为null。因此，对session做了判断，如果为null，则新开一个Session，并保存到线程局部变量session中，这一步非常的关键，这也是“public static final ThreadLocal session = new ThreadLocal()”所创建对象session能强制转换为Hibernate Session对象的原因。

2、另外一个实例

    创建一个Bean，通过不同的线程对象设置Bean属性，保证各个线程Bean对象的独立性。

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: leizhimin
 * Date: 2007-11-23
 * Time: 10:45:02
 * 学生
 */
public class Student {
    private int age = 0;   //年龄

 

    public int getAge() {
        return this.age;
    }

 

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

 

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: leizhimin
 * Date: 2007-11-23
 * Time: 10:53:33
 * 多线程下测试程序
 */
public class ThreadLocalDemo implements Runnable {
    //创建线程局部变量studentLocal，在后面你会发现用来保存Student对象
    private final static ThreadLocal studentLocal = new ThreadLocal();

 

    public static void main(String[] agrs) {
        ThreadLocalDemo td = new ThreadLocalDemo();
        Thread t1 = new Thread(td, "a");
        Thread t2 = new Thread(td, "b");
        t1.start();
        t2.start();
    }

 

    public void run() {
        accessStudent();
    }

 

    /**
     * 示例业务方法，用来测试
     */
    public void accessStudent() {
        //获取当前线程的名字
        String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(currentThreadName + " is running!");

        //产生一个随机数并打印
        Random random = new Random();
        int age = random.nextInt(100);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age);

        //获取一个Student对象，并将随机数年龄插入到对象属性中
        Student student = getStudent();
        student.setAge(age);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " first read age is:" + student.getAge());
        try {
            Thread.sleep(500);
        }
        catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge());
    }

 

    protected Student getStudent() {
        //获取本地线程变量并强制转换为Student类型
        Student student = (Student) studentLocal.get();
        //线程首次执行此方法的时候，studentLocal.get()肯定为null
        if (student == null) {
            //创建一个Student对象，并保存到本地线程变量studentLocal中
            student = new Student();
            studentLocal.set(student);
        }
        return student;
    }
}

 

运行结果：

a is running! 
thread a set age to:76 
b is running! 
thread b set age to:27 
thread a first read age is:76 
thread b first read age is:27 
thread a second read age is:76 
thread b second read age is:27 

 

    可以看到a、b两个线程age在不同时刻打印的值是完全相同的。这个程序通过妙用ThreadLocal，既实现多线程并发，游兼顾数据的安全性。

四、总结

    ThreadLocal使用场合主要解决多线程中数据数据因并发产生不一致问题。ThreadLocal为每个线程的中并发访问的数据提供一个副本，通过访问副本来运行业务，这样的结果是耗费了内存，单大大减少了线程同步所带来性能消耗，也减少了线程并发控制的复杂度。

    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。

五、ThreadLocal使用的一般步骤

    1、在多线程的类（如ThreadDemo类）中，创建一个ThreadLocal对象threadXxx，用来保存线程间需要隔离处理的对象xxx。

    2、在ThreadDemo类中，创建一个获取要隔离访问的数据的方法getXxx()，在方法中判断，若ThreadLocal对象为null时候，应该new()一个隔离访问类型的对象，并强制转换为要应用的类型。

    3、在ThreadDemo类的run()方法中，通过getXxx()方法获取要操作的数据，这样可以保证每个线程对应一个数据对象，在任何时刻都操作的是这个对象。

 

 

 

提供参考资料：http://www.open-open.com/bbs/view/1320130410702

 

 

 

线程补充：----------------------------------------》

多个进程或线程同时(或着说在同一段时间内)访问同一资源会产生并发问题。

银行两操作员同时操作同一账户就是典型的例子。比如A、B操作员同时读取一余额为1000元的账户，A操作员为该账户增加100元，B操作员同时为该账户减去 50元，A先提交，B后提交。 最后实际账户余额为1000-50=950元，但本该为 1000+100-50=1050。这就是典型的并发问题。如何解决？可以用锁。

 

1. 用法1

   public class Test{
       public synchronized void print(){
           ....;
       } 
   }
   

   某线程执行print()方法，则该对象将加锁。其它线程将无法执行该对象的所有synchronized块。

2. 用法2

   public class Test{
       public void print(){
           synchronized(this){//锁住本对象
               ...;
           }
       }
   }
   

   同用法1, 但更能体现synchronized用法的本质。

3. 用法3

   public class Test{
       private String a = "test";
       public void print(){
           synchronized(a){//锁住a对象
               ...;
           }
       }
       public synchronized void t(){
           ...; //这个同步代码块不会因为print()而锁定.
       }
   }
   

   执行print()，会给对象a加锁，注意不是给Test的对象加锁，也就是说 Test对象的其它synchronized方法不会因为print()而被锁。同步代码块执行完，则释放对a的锁。

   为了锁住一个对象的代码块而不影响该对象其它 synchronized块的高性能写法：

   public class Test{
       private byte[] lock = new byte[0];
       public void print(){
           synchronized(lock){
               ...;
           }
       }
       public synchronized void t(){
           ...; 
       }
   }
   

4. 静态方法的锁

   public class Test{
       public synchronized static void execute(){
           ...;
       }
   }
   

   效果同

   public class Test{
       public static void execute(){
           synchronized(TestThread.class){
               ...;
           }
       }
   }

3 Java中的锁与排队上厕所。

锁就是阻止其它进程或线程进行资源访问的一种方式，即锁住的资源不能被其它请求访问。在JAVA中，sychronized关键字用来对一个对象加锁。比如:

public class MyStack {
    int idx = 0;
    char [] data = new char[6];

    public synchronized void push(char c) {
        data[idx] = c;
        idx++;
    }

    public synchronized char pop() {
        idx--;
        return data[idx];
    }

    public static void main(String args[]){
        MyStack m = new MyStack();
        /**
           下面对象m被加锁。严格的说是对象m的所有synchronized块被加锁。
           如果存在另一个试图访问m的线程T，那么T无法执行m对象的push和
           pop方法。
        */
        m.pop();//对象m被加锁。
    }
}

Java的加锁解锁跟多个人排队等一个公共厕位完全一样。第一个人进去后顺手把门从里面锁住，其它人只好排队等。第一个人结束后出来时，门才会打开（解锁）。轮到第二个人进去，同样他又会把门从里面锁住，其它人继续排队等待。

用厕所理论可以很容易明白: 一个人进了一个厕位，这个厕位就会锁住，但不会导致另一个厕位也被锁住，因为一个人不能同时蹲在两个厕位里。对于Java 就是说：Java中的锁是针对同一个对象的，不是针对class的。看下例：

MyStatck m1 = new MyStack();
MyStatck m2 = new Mystatck();
m1.pop();
m2.pop();  

m1对象的锁是不会影响m2的锁的，因为它们不是同一个厕位。就是说，假设有 3线程t1,t2,t3操作m1，那么这3个线程只可能在m1上排队等，假设另2个线程 t8,t9在操作m2，那么t8,t9只会在m2上等待。而t2和t8则没有关系，即使m2上的锁释放了，t1,t2,t3可能仍要在m1上排队。原因无它，不是同一个厕位耳。

Java不能同时对一个代码块加两个锁，这和数据库锁机制不同，数据库可以对一条记录同时加好几种不同的锁，请参见：

http://hi.baidu.com/dapplehou/blog/item/b341a97744fe6616b151b9a3.html

 

 

4 何时释放锁？

一般是执行完毕同步代码块（锁住的代码块）后就释放锁，也可以用wait()方式半路上释放锁。wait()方式就好比蹲厕所到一半，突然发现下水道堵住了，不得已必须出来站在一边，好让修下水道师傅(准备执行notify的一个线程）进去疏通马桶，疏通完毕，师傅大喊一声: "已经修好了"(notify)，刚才出来的同志听到后就重新排队。注意啊，必须等师傅出来啊，师傅不出来，谁也进不去。也就是说notify后，不是其它线程马上可以进入封锁区域活动了，而是必须还要等notify代码所在的封锁区域执行完毕从而释放锁以后，其它线程才可进入。

这里是wait与notify代码示例：

public synchronized char pop() {
    char c;
    while (buffer.size() == 0) {
        try {
            this.wait(); //从厕位里出来
        } catch (InterruptedException e) {
            // ignore it...
        }
    }
    c = ((Character)buffer.remove(buffer.size()-1)).
        charValue();
    return c;
}

public synchronized void push(char c) {
    this.notify(); //通知那些wait()的线程重新排队。注意：仅仅是通知它们重新排队。
    Character charObj = new Character(c);
    buffer.addElement(charObj);
}//执行完毕，释放锁。那些排队的线程就可以进来了。

再深入一些。

由于wait()操作而半路出来的同志没收到notify信号前是不会再排队的，他会在旁边看着这些排队的人(其中修水管师傅也在其中）。注意，修水管的师傅不能插队，也得跟那些上厕所的人一样排队，不是说一个人蹲了一半出来后，修水管师傅就可以突然冒出来然后立刻进去抢修了，他要和原来排队的那帮人公平竞争，因为他也是个普通线程。如果修水管师傅排在后面，则前面的人进去后，发现堵了，就wait，然后出来站到一边，再进去一个，再wait，出来，站到一边，只到师傅进去执行notify. 这样，一会儿功夫，排队的旁边就站了一堆人，等着notify.

终于，师傅进去，然后notify了，接下来呢？

1. 有一个wait的人（线程）被通知到。
2. 为什么被通知到的是他而不是另外一个wait的人？取决于JVM.我们无法预先
   判断出哪一个会被通知到。也就是说，优先级高的不一定被优先唤醒，等待
   时间长的也不一定被优先唤醒，一切不可预知！(当然，如果你了解该JVM的
   实现，则可以预知）。
3. 他（被通知到的线程）要重新排队。
4. 他会排在队伍的第一个位置吗？回答是：不一定。他会排最后吗？也不一定。
   但如果该线程优先级设的比较高，那么他排在前面的概率就比较大。
5. 轮到他重新进入厕位时，他会从上次wait()的地方接着执行，不会重新执行。
   恶心点说就是，他会接着拉巴巴，不会重新拉。
6. 如果师傅notifyAll(). 则那一堆半途而废出来的人全部重新排队。顺序不可知。

Java DOC 上说，The awakened threads will not be able to proceed until the current thread relinquishes the lock on this object(当前线程释放锁前，唤醒的线程不能去执行）。

这用厕位理论解释就是显而易见的事。

5 Lock的使用

用synchronized关键字可以对资源加锁。用Lock关键字也可以。它是JDK1.5中新增内容。用法如下：

class BoundedBuffer {
    final Lock lock = new ReentrantLock();
    final Condition notFull  = lock.newCondition(); 
    final Condition notEmpty = lock.newCondition(); 

    final Object[] items = new Object[100];
    int putptr, takeptr, count;

    public void put(Object x) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == items.length) 
                notFull.await();
            items[putptr] = x; 
            if (++putptr == items.length) putptr = 0;
            ++count;
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public Object take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) 
                notEmpty.await();
            Object x = items[takeptr]; 
            if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
            --count;
            notFull.signal();
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    } 
}

(注：这是JavaDoc里的例子，是一个阻塞队列的实现例子。所谓阻塞队列，就是一个队列如果满了或者空了，都会导致线程阻塞等待。Java里的 ArrayBlockingQueue提供了现成的阻塞队列，不需要自己专门再写一个了。)

一个对象的lock.lock()和lock.unlock()之间的代码将会被锁住。这种方式比起synchronize好在什么地方？简而言之，就是对wait的线程进行了分类。用厕位理论来描述，则是那些蹲了一半而从厕位里出来等待的人原因可能不一样，有的是因为马桶堵了，有的是因为马桶没水了。通知(notify)的时候，就可以喊：因为马桶堵了而等待的过来重新排队（比如马桶堵塞问题被解决了），或者喊，因为马桶没水而等待的过来重新排队(比如马桶没水问题被解决了）。这样可以控制得更精细一些。不像synchronize里的wait和notify，不管是马桶堵塞还是马桶没水都只能喊：刚才等待的过来排队！假如排队的人进来一看，发现原来只是马桶堵塞问题解决了，而自己渴望解决的问题（马桶没水）还没解决，只好再回去等待(wait)，白进来转一圈，浪费时间与资源。

Lock方式与synchronized对应关系：

Lock	await	signal	signalAll
synchronized	wait	notify	notifyAll

注意：不要在Lock方式锁住的块里调用wait、notify、notifyAll