CH29-ThreadLocal
概览
ThreadLocal是通过线程隔离的方式防止任务在共享资源上产生冲突, 线程本地存储是一种自动化机制，可以为使用相同变量的每个不同线程都创建不同的存储。
线程安全的解决思路：
- 互斥同步: synchronized 和 ReentrantLock
- 非阻塞同步: CAS, AtomicXXXX
- 无同步方案: 栈封闭，本地存储(Thread Local)，可重入代码
线程安全：是指广义上的共享资源访问安全性，因为线程隔离是通过副本保证本线程访问资源安全性，它不保证线程之间还存在共享关系的狭义上的安全性。
ThreadLocal 的官方解释：
This class provides thread-local variables. These variables differ from their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its {@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized copy of the variable. {@code ThreadLocal} instances are typically private static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g., a user ID or Transaction ID)
该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物，因为访问某个变量(通过其 get 或 set 方法)的每个线程都有自己的局部变量，它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal 实例通常是类中的 private static 字段，它们希望将状态与某一个线程(例如，用户 ID 或事务 ID)相关联。
ThreadLocal是一个将在多线程中为每一个线程创建单独的变量副本的类; 当使用ThreadLocal来维护变量时, ThreadLocal会为每个线程创建单独的变量副本, 避免因多线程操作共享变量而导致的数据不一致的情况。
理解
- 如下数据库管理类在单线程使用是没有任何问题的
class ConnectionManager {
private static Connection connect = null;
public static Connection openConnection() {
if (connect == null) {
connect = DriverManager.getConnection();
}
return connect;
}
public static void closeConnection() {
if (connect != null)
connect.close();
}
}
很显然，在多线程中使用会存在线程安全问题：第一，这里面的2个方法都没有进行同步，很可能在openConnection方法中会多次创建connect；第二，由于connect是共享变量，那么必然在调用connect的地方需要使用到同步来保障线程安全，因为很可能一个线程在使用connect进行数据库操作，而另外一个线程调用closeConnection关闭链接。
- 为了解决上述线程安全的问题，第一考虑：互斥同步
你可能会说，将这段代码的两个方法进行同步处理，并且在调用connect的地方需要进行同步处理，比如用Synchronized或者ReentrantLock互斥锁。
- 这里再抛出一个问题：这地方到底需不需要将connect变量进行共享?
事实上，是不需要的。假如每个线程中都有一个connect变量，各个线程之间对connect变量的访问实际上是没有依赖关系的，即一个线程不需要关心其他线程是否对这个connect进行了修改的。即改后的代码可以这样：
class ConnectionManager {
private Connection connect = null;
public Connection openConnection() {
if (connect == null) {
connect = DriverManager.getConnection();
}
return connect;
}
public void closeConnection() {
if (connect != null)
connect.close();
}
}
class Dao {
public void insert() {
ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();
Connection connection = connectionManager.openConnection();
// 使用connection进行操作
connectionManager.closeConnection();
}
}
这样处理确实也没有任何问题，由于每次都是在方法内部创建的连接，那么线程之间自然不存在线程安全问题。但是这样会有一个致命的影响：导致服务器压力非常大，并且严重影响程序执行性能。由于在方法中需要频繁地开启和关闭数据库连接，这样不仅严重影响程序执行效率，还可能导致服务器压力巨大。
- 这时候ThreadLocal登场了
那么这种情况下使用ThreadLocal是再适合不过的了，因为ThreadLocal在每个线程中对该变量会创建一个副本，即每个线程内部都会有一个该变量，且在线程内部任何地方都可以使用，线程之间互不影响，这样一来就不存在线程安全问题，也不会严重影响程序执行性能。下面就是网上出现最多的例子：
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;
public class ConnectionManager {
private static final ThreadLocal<Connection> dbConnectionLocal = new ThreadLocal<Connection>() {
@Override
protected Connection initialValue() {
try {
return DriverManager.getConnection("", "", "");
} catch (SQLException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
};
public Connection getConnection() {
return dbConnectionLocal.get();
}
}
- 再注意下ThreadLocal的修饰符
ThreaLocal的JDK文档中说明：ThreadLocal instances are typically private static fields in classes that wish to associate state with a thread。如果我们希望通过某个类将状态(例如用户ID、事务ID)与线程关联起来，那么通常在这个类中定义private static类型的ThreadLocal 实例。
但是要注意，虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题，但是由于在每个线程中都创建了副本，所以要考虑它对资源的消耗，比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。
原理
如何实现线程隔离
主要是用到了 Thread 对象中的一个 ThreadLocalMap 类型的变量 threadLocals，负责存储当前线程的关于 Connection 的对象，dbConnectionLocal 变量为 key，以新建的 Connection 对象为 value；这样的话，线程第一次读取的时候如果不存在就会调用 ThreadLocal 的 initialValue 方法创建一个 Connection 对象并返回。
具体关于为线程分配变量副本的代码如下：
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
- 首先获取当前线程对象 t，然后从线程 t 中获取到 ThreadLocalMap 的成员属性 threadLocals
- 如果当前线程的 threadLocals 已经初始化并且存在以当前 ThreadLocal 对象为 Key 的值，则直接返回当前线程要获取的对象，比如上例中的 Connection。
- 如果当前线程的 threadLocals 已经初始化但不存在以当前 ThreadLocal 对象为 key 的对象，那么新建一个 Connection 对象，并且添加到当前线程的 threadLocals map 中，并返回。
- 如果当前线程的 threadLocals 属性尚未初始化，则重新创建一个 ThreadLocalMap 对象，并且创建一个 Connection 对象并添加到 ThreadLocalMap 中并返回。
初始化逻辑：
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;
}
- 首先调用我们提供的 initialValue 方法，创建一个 Conneciton 对象
- 继续查看当前线程的 threadLocals 是否为空，如果 ThreadLocalMap 已经初始化，直接将产生的connection 对象添加到 ThreadLocalMap 中，如果没有初始化，则创建并添加到其中。
同时，ThreadLocal 还提供了直接操作 Thread 对象中 threadLocals 的方法
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
这样我们也可以不实现initialValue, 将初始化工作放到DBConnectionFactory的getConnection方法中:
public Connection getConnection() {
Connection connection = dbConnectionLocal.get();
if (connection == null) {
try {
connection = DriverManager.getConnection("", "", "");
dbConnectionLocal.set(connection);
} catch (SQLException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return connection;
}
那么我们看过代码之后就很清晰的知道了为什么ThreadLocal能够实现变量的多线程隔离了; 其实就是用了Map的数据结构给当前线程缓存了, 要使用的时候就从本线程的threadLocals对象中获取就可以了, key就是当前线程;
当然了在当前线程下获取当前线程里面的Map里面的对象并操作肯定没有线程并发问题了, 当然能做到变量的线程间隔离了;
现在我们知道了ThreadLocal到底是什么了, 又知道了如何使用ThreadLocal以及其基本实现原理了是不是就可以结束了呢? 其实还有一个问题就是ThreadLocalMap是个什么对象, 为什么要用这个对象呢?
ThreadLocalMap
本质上来讲, 它就是一个Map, 但是这个ThreadLocalMap与我们平时见到的Map有点不一样：
- 它没有实现Map接口;
- 它没有public的方法, 最多有一个default的构造方法, 因为这个ThreadLocalMap的方法仅仅在ThreadLocal类中调用, 属于静态内部类
- ThreadLocalMap的Entry实现继承了WeakReference<ThreadLocal>
- 该方法仅仅用了一个Entry数组来存储Key, Value; Entry并不是链表形式, 而是每个bucket里面仅仅放一个Entry;
要了解ThreadLocalMap的实现, 我们先从入口开始, 就是往该Map中添加一个值:
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
// We don't use a fast path as with get() because it is at
// least as common to use set() to create new entries as
// it is to replace existing ones, in which case, a fast
// path would fail more often than not.
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
先进行简单的分析, 对该代码表层意思进行解读:
- 看下当前threadLocal的在数组中的索引位置 比如:
i = 2, 看i = 2位置上面的元素(Entry)的Key是否等于threadLocal 这个 Key, 如果等于就很好说了, 直接将该位置上面的Entry的Value替换成最新的就可以了; - 如果当前位置上面的 Entry 的 Key为空, 说明ThreadLocal对象已经被回收了, 那么就调用replaceStaleEntry
- 如果清理完无用条目(ThreadLocal被回收的条目)、并且数组中的数据大小 > 阈值的时候对当前的Table进行重新哈希 所以, 该HashMap是处理冲突检测的机制是向后移位, 清除过期条目 最终找到合适的位置;
后面就是Get方法了:
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
先找到ThreadLocal的索引位置, 如果索引位置处的entry不为空并且键与threadLocal是同一个对象, 则直接返回; 否则去后面的索引位置继续查找。
内存泄露
如果用线程池来操作ThreadLocal 对象确实会造成内存泄露, 因为对于线程池里面不会销毁的线程, 里面总会存在着<ThreadLocal, LocalVariable>的强引用, 因为final static 修饰的 ThreadLocal 并不会释放, 而ThreadLocalMap 对于 Key 虽然是弱引用, 但是强引用不会释放, 弱引用当然也会一直有值, 同时创建的LocalVariable对象也不会释放, 就造成了内存泄露; 如果LocalVariable对象不是一个大对象的话, 其实泄露的并不严重, 泄露的内存 = 核心线程数 * LocalVariable对象的大小;
所以, 为了避免出现内存泄露的情况, ThreadLocal提供了一个清除线程中对象的方法, 即 remove, 其实内部实现就是调用 ThreadLocalMap 的remove方法:
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
if (e.get() == key) {
e.clear();
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}
参考资料
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