Java 多线程同步问题的探究（五、你有我有全都有—— ThreadLocal如何解决并发安全性？）

前面我们介绍了Java当中多个线程抢占一个共享资源的问题。但不论是同步还是重入锁，都不能实实在在的解决资源紧缺的情况，这些方案只是靠制定规则来约束线程的行为，让它们不再拼命的争抢，而不是真正从实质上解决他们对资源的需求。

在JDK 1.2当中，引入了java.lang.ThreadLocal。它为我们提供了一种全新的思路来解决线程并发的问题。但是他的名字难免让我们望文生义：本地线程？

什么是本地线程？
本地线程开玩笑的说：不要迷恋哥，哥只是个传说。

其实ThreadLocal并非Thread at Local，而是LocalVariable in a Thread。

根据WikiPedia上的介绍，ThreadLocal其实是源于一项多线程技术，叫做Thread Local Storage，即线程本地存储技术。不仅仅是Java，在C++、C#、.NET、Python、Ruby、Perl等开发平台上，该技术都已经得以实现。

当使用ThreadLocal维护变量时，它会为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本。也就是说，他从根本上解决的是资源数量的问题，从而使得每个线程持有相对独立的资源。这样，当多个线程进行工作的时候，它们不需要纠结于同步的问题，于是性能便大大提升。但资源的扩张带来的是更多的空间消耗，ThreadLocal就是这样一种利用空间来换取时间的解决方案。

说了这么多，来看看如何正确使用ThreadLocal。

通过研究JDK文档，我们知道，ThreadLocal中有几个重要的方法：get()、set()、remove()、initailValue()，对应的含义分别是：
返回此线程局部变量的当前线程副本中的值、将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值、移除此线程局部变量当前线程的值、返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。
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还记得我们在第三篇的上半节引出的那个例子么？几个线程修改同一个Student对象中的age属性。为了保证这几个线程能够工作正常，我们需要对Student的对象进行同步。
下面我们对这个程序进行一点小小的改造，我们通过继承Thread来实现多线程：

/**
 *
 *  @author  x-spirit
  */
public   class  ThreadDemo3  extends  Thread{

     private  ThreadLocal < Student >  stuLocal  =   new  ThreadLocal < Student > ();

     public  ThreadDemo3(Student stu){
        stuLocal.set(stu);
    }

     public   static   void  main(String[] args) {
        Student stu  =   new  Student();
        ThreadDemo3 td31  =   new  ThreadDemo3(stu);
        ThreadDemo3 td32  =   new  ThreadDemo3(stu);
        ThreadDemo3 td33  =   new  ThreadDemo3(stu);
        td31.start();
        td32.start();
        td33.start();
    }

    @Override
     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  =  stuLocal.get();
        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());

    }
}

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貌似这个程序没什么问题。但是运行结果却显示：这个程序中的3个线程会抛出3个空指针异常。读者一定感到很困惑。我明明在构造器当中把Student对象set进了ThreadLocal里面阿，为什么run起来之后居然在调用stuLocal.get()方法的时候得到的是NULL呢？
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带着这个疑问，让我们深入到JDK的代码当中，去一看究竟。
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原来，在ThreadLocal中，有一个内部类叫做ThreadLocalMap。这个ThreadLocalMap并非java.util.Map的一个实现，而是利用java.lang.ref.WeakReference实现的一个键-值对应的数据结构其中，key是ThreadLocal类型，而value是Object类型，我们可以简单的视为HashMap<ThreadLocal,Object>。

而在每一个Thread对象中，都有一个ThreadLocalMap的引用，即Thread.threadLocals。而ThreadLocal的set方法就是首先尝试从当前线程中取得ThreadLocalMap（以下简称Map）对象。如果取到的不为null，则以ThreadLocal对象自身为key，来取Map中的value。如果取不到Map对象，则首先为当前线程创建一个ThreadLocalMap，然后以ThreadLocal对象自身为key，将传入的value放入该Map中。

    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
         return  t.threadLocals;
    }   

     public   void  set(T value) {
        Thread t  =  Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map  =  getMap(t);
         if  (map  !=   null )
            map.set( this , value);
         else
            createMap(t, value);
    }

而get方法则是首先得到当前线程的ThreadLocalMap对象，然后，根据ThreadLocal对象自身，取出相应的value。当然，如果在当前线程中取不到ThreadLocalMap对象，则尝试为当前线程创建ThreadLocalMap对象，并以ThreadLocal对象自身为key，把initialValue()方法产生的对象作为value放入新创建的ThreadLocalMap中。

   public  T get() {
        Thread t  =  Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map  =  getMap(t);
         if  (map  !=   null ) {
            ThreadLocalMap.Entry e  =  map.getEntry( this );
             if  (e  !=   null )
                 return  (T)e.value;
        }
         return  setInitialValue();
    }

     private  T setInitialValue() {
        T value  =  initialValue();
        Thread t  =  Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map  =  getMap(t);
         if  (map  !=   null )
            map.set( this , value);
         else
            createMap(t, value);
         return  value;
    }
   
     protected  T initialValue() {
         return   null ;
    }

这样，我们就明白上面的问题出在哪里：我们在main方法执行期间，试图在调用ThreadDemo3的构造器时向ThreadLocal置入Student对象，而此时，以ThreadLocal对象为key，Student对象为value的Map是被放入当前的活动线程内的。也就是Main线程。而当我们的3个ThreadDemo3线程运行起来以后，调用get()方法，都是试图从当前的活动线程中取得ThreadLocalMap对象，但当前的活动线程显然已经不是Main线程了，于是，程序最终执行了ThreadLocal原生的initialValue()方法，返回了null。
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讲到这里，我想不少朋友一定已经看出来了：ThreadLocal的initialValue()方法是需要被覆盖的。
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于是，ThreadLocal的正确使用方法是：将ThreadLocal以内部类的形式进行继承，并覆盖原来的initialValue()方法，在这里产生可供线程拥有的本地变量值。
这样，我们就有了下面的正确例程：

/**
 *
 *  @author  x-spirit
  */
public   class  ThreadDemo3  extends  Thread{

     private  ThreadLocal < Student >  stuLocal  =   new  ThreadLocal < Student > (){

        @Override
         protected  Student initialValue() {
             return   new  Student();
        }

    };

     public  ThreadDemo3(){
       
    }

     public   static   void  main(String[] args) {
        ThreadDemo3 td31  =   new  ThreadDemo3();
        ThreadDemo3 td32  =   new  ThreadDemo3();
        ThreadDemo3 td33  =   new  ThreadDemo3();
        td31.start();
        td32.start();
        td33.start();
    }

    @Override
     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  =  stuLocal.get();
        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());

    }
}

可见，要正确使用ThreadLocal，必须注意以下几点：
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1. 总是对ThreadLocal中的initialValue()方法进行覆盖。
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2. 当使用set()或get()方法时牢记这两个方法是对当前活动线程中的ThreadLocalMap进行操作，一定要认清哪个是当前活动线程！
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3. 适当的使用泛型，可以减少不必要的类型转换以及可能由此产生的问题。
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运行该程序，我们发现：程序的执行过程只需要5秒，而如果采用同步的方法，程序的执行结果相同，但执行时间需要15秒。以前是多个线程为了争取一个资源，不得不在同步规则的制约下互相谦让，浪费了一些时间。
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现在，采用ThreadLocal机制以后，可用的资源多了，你有我有全都有，所以，每个线程都可以毫无顾忌的工作，自然就提高了并发性，线程安全也得以保证。

当今很多流行的开源框架也采用ThreadLocal机制来解决线程的并发问题。比如大名鼎鼎的 Struts 2.x 和 Spring 等。

把ThreadLocal这样的话题放在我们的同步机制探讨中似乎显得不是很合适。但是ThreadLocal的确为我们解决多线程的并发问题带来了全新的思路。它为每个线程创建一个独立的资源副本，从而将多个线程中的数据隔离开来，避免了同步所产生的性能问题，是一种“以空间换时间”的解决方案。
但这并不是说ThreadLocal就是包治百病的万能药了。如果实际的情况不允许我们为每个线程分配一个本地资源副本的话，同步还是非常有意义的。
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好了，本系列到此马上就要划上一个圆满的句号了。不知大家有什么意见和疑问没有。希望看到你们的留言。

下一讲中我们就来对之前的内容进行一个总结，顺便讨论一下被遗忘的volatile关键字。敬请期待。