Spring如何處理執行緒併發

coding_1994發表於2018-07-22
Spring執行緒

我們知道Spring通過各種DAO模板類降低了開發者使用各種資料持久技術的難度。這些模板類都是執行緒安全的，也就是說，多個DAO可以複用同一個模板例項而不會發生衝突。
我們使用模板類訪問底層資料，根據持久化技術的不同，模板類需要繫結資料連線或會話的資源。但這些資源本身是非執行緒安全的，也就是說它們不能在同一時刻被多個執行緒共享。
雖然模板類通過資源池獲取資料連線或會話，但資源池本身解決的是資料連線或會話的快取問題，並非資料連線或會話的執行緒安全問題。
按照傳統經驗，如果某個物件是非執行緒安全的，在多執行緒環境下，對物件的訪問必須採用synchronized進行執行緒同步。但Spring的DAO模板類並未採用執行緒同步機制，因為執行緒同步限制了併發訪問，會帶來很大的效能損失。
此外，通過程式碼同步解決效能安全問題挑戰性很大，可能會增強好幾倍的實現難度。那模板類究竟仰丈何種魔法神功，可以在無需同步的情況下就化解執行緒安全的難題呢？答案就是ThreadLocal！
ThreadLocal在Spring中發揮著重要的作用，在管理request作用域的Bean、事務管理、任務排程、AOP等模組都出現了它們的身影，起著舉足輕重的作用。要想了解Spring事務管理的底層技術，ThreadLocal是必須攻克的山頭堡壘。
ThreadLocal是什麼
早在JDK1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal為解決多執行緒程式的併發問題提供了一種新的思路。使用這個工具類可以很簡潔地編寫出優美的多執行緒程式。
ThreadLocal很容易讓人望文生義，想當然地認為是一個“本地執行緒”。其實，ThreadLocal並不是一個Thread，而是Thread的區域性變數，也許把它命名為ThreadLocalVariable更容易讓人理解一些。
當使用ThreadLocal維護變數時，ThreadLocal為每個使用該變數的執行緒提供獨立的變數副本，所以每一個執行緒都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其它執行緒所對應的副本。
從執行緒的角度看，目標變數就象是執行緒的本地變數，這也是類名中“Local”所要表達的意思。
執行緒區域性變數並不是Java的新發明，很多語言（如IBM IBM XLFORTRAN）在語法層面就提供執行緒區域性變數。在Java中沒有提供在語言級支援，而是變相地通過ThreadLocal的類提供支援。
所以，在Java中編寫執行緒區域性變數的程式碼相對來說要笨拙一些，因此造成執行緒區域性變數沒有在Java開發者中得到很好的普及。
ThreadLocal的介面方法
ThreadLocal類介面很簡單，只有4個方法，我們先來了解一下：
void set(Object value)
設定當前執行緒的執行緒區域性變數的值。
public Object get()
該方法返回當前執行緒所對應的執行緒區域性變數。
public void remove()
將當前執行緒區域性變數的值刪除，目的是為了減少記憶體的佔用，該方法是JDK5.0新增的方法。需要指出的是，當執行緒結束後，對應該執行緒的區域性變數將自動被垃圾回收，所以顯式呼叫該方法清除執行緒的區域性變數並不是必須的操作，但它可以加快記憶體回收的速度。
protected Object initialValue()
返回該執行緒區域性變數的初始值，該方法是一個protected的方法，顯然是為了讓子類覆蓋而設計的。這個方法是一個延遲呼叫方法，線上程第1次呼叫get()或set(Object)時才執行，並且僅執行1次。ThreadLocal中的預設實現直接返回一個null。


值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已經支援泛型，該類的類名已經變為ThreadLocal<T>。API方法也相應進行了調整，新版本的API方法分別是voidset(T value)、T get()以及T initialValue()。
ThreadLocal是如何做到為每一個執行緒維護變數的副本的呢？其實實現的思路很簡單：在ThreadLocal類中有一個Map，用於儲存每一個執行緒的變數副本，Map中元素的鍵為執行緒物件，而值對應執行緒的變數副本。我們自己就可以提供一個簡單的實現版本：

01 // 程式碼清單1 SimpleThreadLocal
02 class SimpleThreadLocal {
03     private MapvalueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
04     public voidset(Object newValue) {
05        valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);//①鍵為執行緒物件，值為本執行緒的變數副本
06     }
07     publicObject get() {
08        Thread currentThread = Thread.currentThread();
09        Object o = valueMap.get(currentThread);// ②返回本執行緒對應的變數
10        if (o == null &&!valueMap.containsKey(currentThread)) {// ③如果在Map中不存在，放到Map
11            // 中儲存起來。
12            o = initialValue();
13            valueMap.put(currentThread, o);
14        }
15        return o;
16     }
17     public voidremove() {
18        valueMap.remove(Thread.currentThread());
19     }
20     publicObject initialValue() {
21        return null;
22     }
23 }


雖然程式碼清單9?3這個ThreadLocal實現版本顯得比較幼稚，但它和JDK所提供的ThreadLocal類在實現思路上是相近的。
一個TheadLocal例項
下面，我們通過一個具體的例項瞭解一下ThreadLocal的具體使用方法

01 package threadLocalDemo;
02 public class SequenceNumber {
03     //①通過匿名內部類覆蓋ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
04     privatestatic ThreadLocal<Integer> seqNum =new ThreadLocal<Integer>() {
05        public Integer initialValue() {
06            return 0;
07        }
08     };
09     //②獲取下一個序列值
10     public intgetNextNum() {
11        seqNum.set(seqNum.get() + 1);
12        return seqNum.get();
13     }
14     publicstatic void main(String[] args)
15     {
16        SequenceNumber sn = new SequenceNumber();
17        // ③ 3個執行緒共享sn，各自產生序列號
18        TestClient t1 = new TestClient(sn);
19        TestClient t2 = new TestClient(sn);
20        TestClient t3 = new TestClient(sn);
21        t1.start();
22        t2.start();
23        t3.start();
24     }
25     privatestatic class TestClient extends Thread
26     {
27        private SequenceNumber sn;
28        public TestClient(SequenceNumber sn) {
29            this.sn = sn;
30        }
31        public void run()
32        {
33            for (int i = 0; i < 3; i++) {
34                // ④每個執行緒打出3個序列值
35                System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName()+"]sn[" + sn.getNextNum() + "]");
36            }
37        }
38     }
39 }


通常我們通過匿名內部類的方式定義ThreadLocal的子類，提供初始的變數值，如例子中①處所示。TestClient執行緒產生一組序列號，在③處，我們生成3個TestClient，它們共享同一個SequenceNumber例項。執行以上程式碼，在控制檯上輸出以下的結果：
thread[Thread-2] sn[1]
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-1] sn[1]
thread[Thread-2] sn[2]
thread[Thread-0] sn[2]
thread[Thread-1] sn[2]
thread[Thread-2] sn[3]
thread[Thread-0] sn[3]
thread[Thread-1] sn[3]
考察輸出的結果資訊，我們發現每個執行緒所產生的序號雖然都共享同一個SequenceNumber例項，但它們並沒有發生相互干擾的情況，而是各自產生獨立的序列號，這是因為我們通過ThreadLocal為每一個執行緒提供了單獨的副本。
Thread同步機制的比較
ThreadLocal和執行緒同步機制相比有什麼優勢呢？ThreadLocal和執行緒同步機制都是為了解決多執行緒中相同變數的訪問衝突問題。
在同步機制中，通過物件的鎖機制保證同一時間只有一個執行緒訪問變數。這時該變數是多個執行緒共享的，使用同步機制要求程式慎密地分析什麼時候對變數進行讀寫，什麼時候需要鎖定某個物件，什麼時候釋放物件鎖等繁雜的問題，程式設計和編寫難度相對較大。
而ThreadLocal則從另一個角度來解決多執行緒的併發訪問。ThreadLocal會為每一個執行緒提供一個獨立的變數副本，從而隔離了多個執行緒對資料的訪問衝突。因為每一個執行緒都擁有自己的變數副本，從而也就沒有必要對該變數進行同步了。ThreadLocal提供了執行緒安全的共享物件，在編寫多執行緒程式碼時，可以把不安全的變數封裝進ThreadLocal。
由於ThreadLocal中可以持有任何型別的物件，低版本JDK所提供的get()返回的是Object物件，需要強制型別轉換。但JDK5.0通過泛型很好的解決了這個問題，在一定程度地簡化ThreadLocal的使用，程式碼清單 9 2就使用了JDK5.0新的ThreadLocal<T>版本。
概括起來說，對於多執行緒資源共享的問題，同步機制採用了“以時間換空間”的方式，而ThreadLocal採用了“以空間換時間”的方式。前者僅提供一份變數，讓不同的執行緒排隊訪問，而後者為每一個執行緒都提供了一份變數，因此可以同時訪問而互不影響。
Spring使用ThreadLocal解決執行緒安全問題
我們知道在一般情況下，只有無狀態的Bean才可以在多執行緒環境下共享，在Spring中，絕大部分Bean都可以宣告為singleton作用域。就是因為Spring對一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非執行緒安全狀態採用ThreadLocal進行處理，讓它們也成為執行緒安全的狀態，因為有狀態的Bean就可以在多執行緒中共享了。
一般的Web應用劃分為展現層、服務層和持久層三個層次，在不同的層中編寫對應的邏輯，下層通過介面向上層開放功能呼叫。在一般情況下，從接收請求到返回響應所經過的所有程式呼叫都同屬於一個執行緒，如圖9?2所示：

圖1同一執行緒貫通三層
這樣你就可以根據需要，將一些非執行緒安全的變數以ThreadLocal存放，在同一次請求響應的呼叫執行緒中，所有關聯的物件引用到的都是同一個變數。
下面的例項能夠體現Spring對有狀態Bean的改造思路：
程式碼清單3 TopicDao：非執行緒安全

1 public class TopicDao {
2 private Connection conn;①一個非執行緒安全的變數
3 public void addTopic(){
4 Statement stat = conn.createStatement();②引用非執行緒安全變數
5 …
6 }
7 }


由於①處的conn是成員變數，因為addTopic()方法是非執行緒安全的，必須在使用時建立一個新TopicDao例項（非singleton）。下面使用ThreadLocal對conn這個非執行緒安全的“狀態”進行改造：
程式碼清單4 TopicDao：執行緒安全

01 package threadLocalDemo;
02 import java.sql.Connection;
03 import java.sql.SQLException;
04 import java.sql.Statement;
05 public class SqlConnection {
06     //①使用ThreadLocal儲存Connection變數
07     privatestatic ThreadLocal<Connection>connThreadLocal = newThreadLocal<Connection>();
08     publicstatic Connection getConnection() {
09        // ②如果connThreadLocal沒有本執行緒對應的Connection建立一個新的Connection，
10        // 並將其儲存到執行緒本地變數中。
11        if (connThreadLocal.get() == null) {
12            Connection conn = getConnection();
13            connThreadLocal.set(conn);
14            return conn;
15        } else {
16            return connThreadLocal.get();
17            // ③直接返回執行緒本地變數
18        }
19     }
20     public voidaddTopic() {
21        // ④從ThreadLocal中獲取執行緒對應的Connection
22        try {
23            Statement stat = getConnection().createStatement();
24        } catch (SQLException e) {
25            e.printStackTrace();
26        }
27     }
28 }

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