Java并发编程的艺术ThreadLocal原理和使用

　　带着BAT大厂的面试问题去理解
　　请带着这些问题继续后文，会很大程度上帮助你更好地理解相关知识点。什么是ThreadLocal？用来解决什么问题的？说说你对ThreadLocal的理解ThreadLocal是如何实现线程隔离的？为什么ThreadLocal会造成内存泄露？如何解决还有哪些使用ThreadLocal的应用场景？ThreadLocal简介
　　我们在Java并发并发理论基础总结过线程安全（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）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（ThreadLocal），可重入代码
　　这个章节将详细地讲讲本地存储（ThreadLocal）。官网的解释是这样的：
　　Thisclassprovidesthreadlocalvariables。Thesevariablesdifferfromtheirnormalcounterpartsinthateachthreadthataccessesone（viaits｛codeget｝or｛codeset｝method）hasitsown，independentlyinitializedcopyofthevariable。｛codeThreadLocal｝instancesaretypicallyprivatestaticfieldsinclassesthatwishtoassociatestatewithathread（e。g。，auserIDorTransactionID）该类提供了线程局部（threadlocal）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privatestatic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。
　　总结而言：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。ThreadLocal理解
　　提到ThreadLocal被提到应用最多的是session管理和数据库链接管理，这里以数据访问为例帮助你理解ThreadLocal：如下数据库管理类在单线程使用是没有任何问题的classConnectionManager｛privatestaticConnectionconnectnull；publicstaticConnectionopenConnection（）｛if（connectnull）｛connectDriverManager。getConnection（）；｝returnconnect；｝publicstaticvoidcloseConnection（）｛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：classConnectionManager｛privateConnectionconnectnull；publicConnectionopenConnection（）｛if（connectnull）｛connectDriverManager。getConnection（）；｝returnconnect；｝publicvoidcloseConnection（）｛if（connect！null）connect。close（）；｝｝classDao｛publicvoidinsert（）｛ConnectionManagerconnectionManagernewConnectionManager（）；ConnectionconnectionconnectionManager。openConnection（）；使用connection进行操作connectionManager。closeConnection（）；｝｝
　　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：importjava。sql。Connection；importjava。sql。DriverManager；importjava。sql。SQLException；publicclassConnectionManager｛privatestaticfinalThreadLocalConnectiondbConnectionLocalnewThreadLocalConnection（）｛OverrideprotectedConnectioninitialValue（）｛try｛returnDriverManager。getConnection（，，）；｝catch（SQLExceptione）｛e。printStackTrace（）；｝returnnull；｝｝；publicConnectiongetConnection（）｛returndbConnectionLocal。get（）；｝｝再注意下ThreadLocal的修饰符
　　ThreaLocal的JDK文档中说明：ThreadLocalinstancesaretypicallyprivatestaticfieldsinclassesthatwishtoassociatestatewithathread。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privatestatic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。ThreadLocal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（以上述例子中为例）这个变量为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对象并且返回；
　　具体关于为线程分配变量副本的代码如下：publicTget（）｛ThreadtThread。currentThread（）；ThreadLocalMapthreadLocalsgetMap（t）；if（threadLocals！null）｛ThreadLocalMap。EntryethreadLocals。getEntry（this）；if（e！null）｛SuppressWarnings（unchecked）Tresult（T）e。value；returnresult；｝｝returnsetInitialValue（）；｝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（即不为null）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（本例中为Connection）；如果当前线程的threadLocals已经初始化（即不为null）但是不存在以当前ThreadLocal对象为Key的的对象，那么重新创建一个Connection对象，并且添加到当前线程的threadLocalsMap中，并返回如果当前线程的threadLocals属性还没有被初始化，则重新创建一个ThreadLocalMap对象，并且创建一个Connection对象并添加到ThreadLocalMap对象中并返回。
　　如果存在则直接返回很好理解，那么对于如何初始化的代码又是怎样的呢？privateTsetInitialValue（）｛TvalueinitialValue（）；ThreadtThread。currentThread（）；ThreadLocalMapmapgetMap（t）；if（map！null）map。set（this，value）；elsecreateMap（t，value）；returnvalue；｝首先调用我们上面写的重载过后的initialValue方法，产生一个Connection对象继续查看当前线程的threadLocals是不是空的，如果ThreadLocalMap已被初始化，那么直接将产生的对象添加到ThreadLocalMap中，如果没有初始化，则创建并添加对象到其中；
　　同时，ThreadLocal还提供了直接操作Thread对象中的threadLocals的方法publicvoidset（Tvalue）｛ThreadtThread。currentThread（）；ThreadLocalMapmapgetMap（t）；if（map！null）map。set（this，value）；elsecreateMap（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：publicConnectiongetConnection（）｛ConnectionconnectiondbConnectionLocal。get（）；if（connectionnull）｛try｛connectionDriverManager。getConnection（，，）；dbConnectionLocal。set（connection）；｝catch（SQLExceptione）｛e。printStackTrace（）；｝｝returnconnection；｝
　　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对象是什么
　　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WeakReferenceThreadLocallt；？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：privatevoidset（ThreadLocallt；？key，Objectvalue）｛Wedontuseafastpathaswithget（）becauseitisatleastascommontouseset（）tocreatenewentriesasitistoreplaceexistingones，inwhichcase，afastpathwouldfailmoreoftenthannot。Entry〔〕tabtable；intlentab。length；intikey。threadLocalHashCode（len1）；for（Entryetab〔i〕；e！null；etab〔inextIndex（i，len）〕）｛ThreadLocallt；？ke。get（）；if（kkey）｛e。valuevalue；return；｝if（knull）｛replaceStaleEntry（key，value，i）；return；｝｝tab〔i〕newEntry（key，value）；intszsize；if（！cleanSomeSlots（i，sz）szthreshold）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：i2，看i2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；
　　了解完Set方法，后面就是Get方法了：privateEntrygetEntry（ThreadLocallt；？key）｛intikey。threadLocalHashCode（table。length1）；Entryetable〔i〕；if（e！nulle。get（）key）returne；elsereturngetEntryAfterMiss（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。ThreadLocal造成内存泄露的问题
　　网上有这样一个例子：importjava。util。concurrent。LinkedBlockingQueue；importjava。util。concurrent。ThreadPoolExecutor；importjava。util。concurrent。TimeUnit；publicclassThreadLocalDemo｛staticclassLocalVariable｛privateLong〔〕anewLong〔10241024〕；｝（1）finalstaticThreadPoolExecutorpoolExecutornewThreadPoolExecutor（5，5，1，TimeUnit。MINUTES，newLinkedBlockingQueue（））；（2）finalstaticThreadLocalLocalVariablelocalVariablenewThreadLocalLocalVariable（）；publicstaticvoidmain（String〔〕args）throwsInterruptedException｛（3）Thread。sleep（50004）；for（inti0；i50；i）｛poolExecutor。execute（newRunnable（）｛publicvoidrun（）｛（4）localVariable。set（newLocalVariable（））；（5）System。out。println（uselocalvaraiblelocalVariable。get（））；localVariable。remove（）；｝｝）；｝（6）System。out。println（poolexecuteover）；｝｝
　　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finalstatic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：privatevoidremove（ThreadLocallt；？key）｛Entry〔〕tabtable；intlentab。length；intikey。threadLocalHashCode（len1）；for（Entryetab〔i〕；e！null；etab〔inextIndex（i，len）〕）｛if（e。get（）key）｛e。clear（）；expungeStaleEntry（i）；return；｝｝｝
　　找到Key对应的Entry，并且清除Entry的Key（ThreadLocal）置空，随后清除过期的Entry即可避免内存泄露。再看ThreadLocal应用场景
　　除了上述的数据库管理类的例子，我们再看看其它一些应用：每个线程维护了一个序列号
　　再回想上文说的，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privatestatic类型的ThreadLocal实例。
　　每个线程维护了一个序列号publicclassSerialNum｛ThenextserialnumbertobeassignedprivatestaticintnextSerialNum0；privatestaticThreadLocalserialNumnewThreadLocal（）｛protectedsynchronizedObjectinitialValue（）｛returnnewInteger（nextSerialNum）；｝｝；publicstaticintget（）｛return（（Integer）（serialNum。get（）））。intValue（）；｝｝Session的管理
　　经典的另外一个例子：privatestaticfinalThreadLocalthreadSessionnewThreadLocal（）；publicstaticSessiongetSession（）throwsInfrastructureException｛Sessions（Session）threadSession。get（）；try｛if（snull）｛sgetSessionFactory（）。openSession（）；threadSession。set（s）；｝｝catch（HibernateExceptionex）｛thrownewInfrastructureException（ex）；｝returns；｝在线程内部创建ThreadLocal
　　还有一种用法是在线程类内部创建ThreadLocal，基本步骤如下：在多线程的类（如ThreadDemo类）中，创建一个ThreadLocal对象threadXxx，用来保存线程间需要隔离处理的对象xxx。在ThreadDemo类中，创建一个获取要隔离访问的数据的方法getXxx（），在方法中判断，若ThreadLocal对象为null时候，应该new（）一个隔离访问类型的对象，并强制转换为要应用的类型。在ThreadDemo类的run（）方法中，通过调用getXxx（）方法获取要操作的数据，这样可以保证每个线程对应一个数据对象，在任何时刻都操作的是这个对象。publicclassThreadLocalTestimplementsRunnable｛ThreadLocalStudentStudentThreadLocalnewThreadLocalStudent（）；Overridepublicvoidrun（）｛StringcurrentThreadNameThread。currentThread（）。getName（）；System。out。println（currentThreadNameisrunning。。。）；RandomrandomnewRandom（）；intagerandom。nextInt（100）；System。out。println（currentThreadNameissetage：age）；StudentStudentgetStudentt（）；通过这个方法，为每个线程都独立的new一个Studentt对象，每个线程的的Studentt对象都可以设置不同的值Student。setAge（age）；System。out。println（currentThreadNameisfirstgetage：Student。getAge（））；try｛Thread。sleep（500）；｝catch（InterruptedExceptione）｛e。printStackTrace（）；｝System。out。println（currentThreadNameissecondgetage：Student。getAge（））；｝privateStudentgetStudentt（）｛StudentStudentStudentThreadLocal。get（）；if（nullStudent）｛StudentnewStudent（）；StudentThreadLocal。set（Student）；｝returnStudent；｝publicstaticvoidmain（String〔〕args）｛ThreadLocalTesttnewThreadLocalTest（）；Threadt1newThread（t，ThreadA）；Threadt2newThread（t，ThreadB）；t1。start（）；t2。start（）；｝｝classStudent｛intage；publicintgetAge（）｛returnage；｝publicvoidsetAge（intage）｛this。ageage；｝｝java开发手册中推荐的ThreadLocal
　　看看阿里巴巴java开发手册中推荐的ThreadLocal的用法：importjava。text。DateFormat；importjava。text。SimpleDateFormat；publicclassDateUtils｛publicstaticfinalThreadLocalDateFormatdfnewThreadLocalDateFormat（）｛OverrideprotectedDateFormatinitialValue（）｛returnnewSimpleDateFormat（yyyyMMdd）；｝｝；｝
　　然后我们再要用到DateFormat对象的地方，这样调用：DateUtils。df。get（）。format（newDate（））；