併發程式設計之:ThreadLocal

小黑學Java發表於2021-08-31

大家好,我是小黑,一個在網際網路苟且偷生的農民工。

從前上一期【併發程式設計之:synchronized】 我們學到要保證在併發情況下對於共享資源的安全訪問,就需要用到鎖。

但是,加鎖通常情況下會讓執行效率降低,那有什麼辦法可以徹底避免對共享資源的競爭,同時又可以不影響效率呢?答案就是小黑今天要和大家講的ThreadLocal。

ThreadLocal是什麼?

該類提供了執行緒區域性 (thread-local) 變數。這些變數不同於它們的普通對應物,因為訪問某個變數(通過其 get 或 set 方法)的每個執行緒都有自己的區域性變數,它獨立於變數的初始化副本。ThreadLocal 例項通常是類中的 private static 欄位,它們希望將狀態與某一個執行緒(例如,使用者 ID 或事務 ID)相關聯。

以上來源官方API。大概可以總結為兩點:

  1. ThreadLocal提供get/set方法,可以訪問屬於當前執行緒的變數,也就是可以保證每個執行緒的變數不一樣。
  2. ThreadLocal使用時通常定義為private static的。

從字面意思理解,可能會將ThreadLocal認為是本地執行緒,其實ThreadLocal並不是執行緒,而是執行緒Thread的區域性變數。

如何使用

首先,定義一個private static的ThreadLocal物件。

private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

然後每個執行緒可以將當前執行緒需要存放在區域性變數中,並且可以從中獲取。

public void setAndGet(String name) {
    threadLocal.set(name);
    String s = threadLocal.get();
}

最後在使用完之後,需要將ThreadLocal中的值移除。

public void remove() {
    threadLocal.remove();
}

原理

那麼ThreadLocal是如何做到保證每個執行緒get出來的資料不一樣的呢?我們通過原始碼來看一下。

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 通過當前執行緒獲取出來一個ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

我們發現在set方法中,會建立一個ThreadLocalMap,然後將要設定的值放在這個Map中,而當前這個ThreadLocal物件作為key;

然後再將這個ThreadLocalMap賦值給Thread的threadLocals裡。如果去看Thread類的程式碼會發現,在Thread類中存在兩個變數threadLocals和inheritableThreadLocals,它們的型別就是ThreadLocal.ThreadLocalMap。通過下圖可以看出Thread,ThreadLocal,ThreadLocalMap三者的關係。

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這時候我們再看看get()和remove()方法的程式碼。

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();
}

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

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

可以看出來,和我們上面圖中的結構一樣,get()方法就是從Thread中取出來ThreadLocalMap,然後通過ThreadLocal物件作為Key取出值;remove()方法則是取出ThreadLocalMap將ThreadLocal對應的資料移除。

那麼ThreadLocalMap到底是什麼呢?是java.util.Map介面的子類嗎?我們來看原始碼。

static class ThreadLocalMap {
        
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    private Entry[] table;
    private int size = 0;
    private int threshold; // Default to 0
    // 省略其他程式碼
}

通過原始碼發現,ThreadLocalMap並沒有實現Map介面,也沒有整合其他任何的Map類。是定義在ThreadLocal類中的一個靜態內部類。而它的結構和HashMap結構極其相似。有一個Entry[]陣列存放資料。而這個Entry類是繼承自WeakReference類的子類,這一點和HashMap有所不同。

ThreadLocalMap和HashMap結構有很多不同,但是還有一點和HashMap不一樣,我們來看一下ThreadLocalMap的set方法。

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 計算key對應放在tab中的下標
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    //迴圈遍歷tab,首先獲取到下標i對應的物件,如果不為空,則執行迴圈體
    // 如果不是相同的threadLocal或者位置失效,則要尋找下一個位置。
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
	    // 判斷與當前ThreadLocal是否是同一個物件,如果是則進行值替換,結束
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
		// 如果k==null代表threadLocal的key失效了,將失效的key進行替換
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

程式碼中迴圈遍歷tab,首先獲取到下標i對應的物件,如果不為空,則執行迴圈體,如果在迴圈體中的兩個條件都不滿足,則會執行nextIndex()方法,這個方法的程式碼如下:

private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

這個方法的邏輯就是開放定址法。而HashMap則是通過拉鍊法rehash來做的。

哪些場景使用

通過上面的內容基本可以掌握ThreadLocal的基本用法,那麼ThreadLocal主要在什麼場景中使用呢。

ThreadLocal的作用通過以上了解我們知道主要是用來做執行緒間資料隔離。那麼在什麼場景下能用到執行緒隔離呢?

首先想到的就是SimpleDateFormat這個工具類,它不是執行緒安全的,可以通過ThreadLocal在每個執行緒中放一份,保證執行緒安全。

還有比如說使用者登入的session,或者token資料,只資料當前會話執行緒,也可以通過ThreadLocal儲存。

再比如在某些場景下,上下文資料在不同方法之間呼叫,傳遞起來非常麻煩,可以通過ThreadLocal存放,只需要在需要用到的地方獲取就可以。

除了這些場景,在某些框架原始碼中也會使用到,比如Spring中的事務也主要是通過ThreadLocal和麵向切面程式設計AOP實現的,感興趣的同學可以檢視原始碼瞭解。

避免踩坑

記憶體洩漏

ThreadLocalMap中的Entry的Key是一個弱引用,因此如果在使用後不呼叫remove方法清除掉會導致對應的value記憶體洩漏。所以在使用完以後一定要記得呼叫remove方法清除資料。

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好的,今天的內容就到這裡,我們下期再見。
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