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理解ThreadLocal 变量副本，为什么不同线程的 ThreadLocalMap互不干扰

news 来源：原创 2024/9/20 4:45:18

ThreadLocal 类在 Java 中提供了一种线程局部变量的存储方式，这种方式使得每个线程可以访问到自己的变量副本，而这个副本对于其他线程是不可见的。这听起来可能有些抽象，下面我将通过一个简单的例子来解释这个概念。

假设我们有一个简单的计数器，我们希望每个线程都可以拥有自己的计数器，并且每个线程增加计数器的值时不会影响其他线程的计数器。这时，我们可以使用 ThreadLocal 来实现：

public class Counter {// 静态成员变量private static final ThreadLocal<Integer> threadLocalCounter = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);public static void increment() {// 获取当前线程的计数器副本，并递增threadLocalCounter.set(threadLocalCounter.get() + 1);}public static int getCount() {// 返回当前线程的计数器副本的值return threadLocalCounter.get();}
}

在这个例子中，我们定义了一个 Counter 类，它有一个静态的 ThreadLocal<Integer> 类型的成员变量 threadLocalCounter。这个 ThreadLocal 对象负责为每个线程创建和存储一个独立的 Integer 类型的副本。

  • threadLocalCounter.withInitial(() -> 0) 这行代码创建了一个 ThreadLocal 实例，并指定了一个初始化器，用于在线程首次访问时初始化副本的值（在这个例子中初始化为 0）。

  • increment() 方法通过调用 threadLocalCounter.get() 获取当前线程的计数器副本，并将其值加一，然后通过 threadLocalCounter.set() 将更新后的值设置回当前线程的副本。

  • getCount() 方法返回当前线程计数器副本的值。

现在，如果有多个线程调用 Counter.increment() 方法，每个线程都会操作自己的计数器副本，互不影响。这就是 ThreadLocal 的核心优势：提供了线程隔离的变量副本。

下面是一个使用 Counter 类的多线程示例：

public class ThreadLocalExample {public static void main(String[] args) {Thread thread1 = new Thread(Counter::increment);Thread thread2 = new Thread(Counter::increment);thread1.start();thread2.start();try {thread1.join();thread2.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Count by thread 1: " + Counter.getCount());// 输出将显示 "Count by thread 1: 1"，因为 thread1 只增加了一次计数器System.out.println("Count by thread 2: " + Counter.getCount());// 输出将显示 "Count by thread 2: 1"，因为 thread2 也只增加了一次计数器// 注意：这里两次调用 getCount() 将返回不同线程的计数器副本的值}
}

在这个示例中，两个线程分别调用 increment() 方法，每个线程都会操作自己的计数器副本，因此最终输出的值都是 1，而不是 2。这说明 ThreadLocal 确实为每个线程提供了独立的变量副本。

ThreadLocal 的实现机制

ThreadLocal 类

ThreadLocal 类本身非常简单，主要的方法是 get() 和 set()。

public class ThreadLocal<T> {public T get() {// 获取当前线程Thread t = Thread.currentThread();// 获取当前线程的 ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {// 获取 ThreadLocalMap 中对应的值ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T) e.value;return result;}}// 如果不存在，则初始化值return setInitialValue();}public void set(T value) {// 获取当前线程Thread t = Thread.currentThread();// 获取当前线程的 ThreadLocalMapThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {// 将值存储在 ThreadLocalMap 中map.set(this, value);} else {// 创建新的 ThreadLocalMapcreateMap(t, value);}}
}
Thread 类

在 Thread 类中，有一个成员变量 threadLocals，它是 ThreadLocal.ThreadLocalMap 类型。每个线程都有自己的 Thread 对象实例，因此每个线程都有自己的 threadLocals 成员变量。

public class Thread {// 用于存储线程的局部变量ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}
ThreadLocalMap 类

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的内部类，它是一个定制化的 HashMap，专门用于存储 ThreadLocal 的副本。

static class ThreadLocalMap {// ThreadLocalMap.Entry 继承自 WeakReference<ThreadLocal<?>>，它是存储在 ThreadLocalMap 中的实际元素。// 每个 Entry包含一个 ThreadLocal 的弱引用和一个对应的值。static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {// 存储实际的值Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;}}// 存储实际数据的数组private Entry[] table;private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {// 计算哈希值并取模获取数组索引int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);Entry e = table[i];// 如果索引处的 Entry 存在且其键等于给定的 key，则返回该 Entryif (e != null && e.get() == key)return e;elsereturn getEntryAfterMiss(key, i, e);}private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {// 计算哈希值并取模获取数组索引int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);// 遍历该索引处的链表for (Entry e = table[i]; e != null; e = table[nextIndex(i, table.length)]) {ThreadLocal<?> k = e.get();if (k == key) {// 如果找到相同的 ThreadLocal 键，更新其值e.value = value;return;}if (k == null) {// 如果找到无效的（被垃圾回收的）Entry，替换它replaceStaleEntry(key, value, i);return;}}// 如果索引处没有找到相同的 ThreadLocal 键，新建一个 Entry 并插入table[i] = new Entry(key, value);int sz = ++size;// 如果需要，清理一些槽位并检查是否需要扩容if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)rehash();}
}

工作机制

  1. 创建 ThreadLocal 对象：

    • 当创建一个 ThreadLocal 对象时，并不会立即创建存储空间，只有在调用 get() 或 set() 方法时，才会触发存储空间的创建。

  2. 调用 set() 方法：

    • 当调用 ThreadLocal 的 set() 方法时，当前线程会将该 ThreadLocal 对象和对应的值存储在自己的 ThreadLocalMap 中。ThreadLocalMap 是一个定制的 HashMap，它将 ThreadLocal 对象作为键，实际的值作为值存储。

  3. 调用 get() 方法：

    • 当调用 ThreadLocal 的 get() 方法时，会从当前线程的 ThreadLocalMap 中查找对应的值。如果找不到，则调用 initialValue() 方法来初始化该值。

  4. 每个线程独立存储：

    • 每个线程都有自己的 ThreadLocalMap，存储着各自的 ThreadLocal 副本。不同线程的 ThreadLocalMap 互不干扰。

示例代码

以下是一个完整的示例代码，演示了 ThreadLocal 的使用和工作机制：

public class ThreadLocalExample {private static ThreadLocal<Integer> threadLocalValue = ThreadLocal.withInitial(() -> 1);public static void main(String[] args) {Runnable task = () -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " initial value: " + threadLocalValue.get());threadLocalValue.set(threadLocalValue.get() + 1);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated value: " + threadLocalValue.get());};Thread thread1 = new Thread(task, "Thread 1");Thread thread2 = new Thread(task, "Thread 2");thread1.start();thread2.start();}
}

运行结果

Thread 1 initial value: 1
Thread 2 initial value: 1
Thread 1 updated value: 2
Thread 2 updated value: 2

从输出结果可以看出，每个线程都有自己的 ThreadLocal 副本，互不干扰。这就是 ThreadLocal 提供线程隔离的核心机制。

ThreadLocal 的一些典型使用场景：

  1. 数据库连接和会话管理：
    在 JDBC 或 JPA 等数据库访问框架中，ThreadLocal 可以用来存储每个线程的数据库连接或事务，确保线程安全和数据隔离。

  2. Web会话管理：
    在 Web 应用中，ThreadLocal 可以用于存储会话信息，如购物车、用户偏好等，以便在请求处理过程中使用。。

  3. 日志记录：
    ThreadLocal 可用于存储日志记录器的上下文信息，如日志级别、请求ID等，以便跨多个方法调用保持一致性。

  4. 资源隔离：
    在多线程环境中，使用 ThreadLocal 可以为每个线程分配独立的资源，如缓存、临时变量等，避免资源冲突。

  5. 跟踪请求或事务：
    在分布式系统中，ThreadLocal 可以用来跟踪请求或事务的生命周期，确保跨多个服务调用的一致性。

使用 ThreadLocal 时需要注意，它可能会导致内存泄漏，特别是在 Web 应用或应用服务器环境中，因为 ThreadLocal 对象如果没有被正确地清理，它们的值可能会长时间保留在内存中。因此，应当在适当的时候调用 ThreadLocal.remove() 方法来清除线程局部变量，避免潜在的内存问题。

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