ThreadLocal实现线程安全

Easter79
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Spring通过各种模板类降低了开发者使用各种数据持久技术的难度。这些模板类都是线程安全的,也就是说,多个DAO可以复用同一个模板实例而不会发生冲突。我们使用模板类访问底层数据,根据持久化技术的不同,模板类需要绑定数据连接或会话的资源。但这些资源本身是非线程安全的,也就是说它们不能在同一时刻被多个线程共享。虽然模板类通过资源池获取数据连接或会话,但资源池本身解决的是数据连接或会话的缓存问题,并非数据连接或会话的线程安全问题。 
按照传统经验,如果某个对象是非线程安全的,在多线程环境下,对对象的访问必须采用synchronized进行线程同步。但模板类并未采用线程同步机制,因为线程同步会降低并发性,影响系统性能。此外,通过代码同步解决线程安全的挑战性很大,可能会增强好几倍的实现难度。那么模板类究竟仰仗何种魔法神功,可以在无须线程同步的情况下就化解线程安全的难题呢?答案就是ThreadLocal! 
ThreadLocal在Spring中发挥着重要的作用,在管理request作用域的Bean、事务管理、任务调度、AOP等模块都出现了它们的身影,起着举足轻重的作用。

ThreadLocal是什么 

早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal,ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。 
ThreadLocal,顾名思义,它不是一个线程,而是线程的一个本地化对象。当工作于多线程中的对象使用ThreadLocal维护变量时,ThreadLocal为每个使用该变量的线程分配一个独立的变量副本。所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其他线程所对应的副本。从线程的角度看,这个变量就像是线程的本地变量,这也是类名中“Local”所要表达的意思。 

线程局部变量并不是Java的新发明,很多语言(如IBM XL、FORTRAN)在语法层面就提供线程局部变量。在Java中没有提供语言级支持,而以一种变通的方法,通过ThreadLocal的类提供支持。所以,在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些,这也是为什么线程局部变量没有在Java开发者中得到很好普及的原因。 

ThreadLocal的接口方法 

ThreadLocal类接口很简单,只有4个方法,我们先来了解一下。 

  • void set(Object value)   设置当前线程的线程局部变量的值;
  • public Object get()   该方法返回当前线程所对应的线程局部变量;
  • public void remove()   将当前线程局部变量的值删除,目的是为了减少内存的占用,该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是,当线程结束后,对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收,所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作,但它可以加快内存回收的速度;
  • protected Object initialValue()   返回该线程局部变量的初始值,该方法是一个protected的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法,在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行,并且仅执行1次。ThreadLocal中的默认实现直接返回一个null。

 

值得一提的是,在JDK5.0中,ThreadLocal已经支持泛型,该类的类名已经变为ThreadLocal。API方法也相应进行了调整,新版本的API方法分别是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。 

ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢?其实实现的思路很简单:在ThreadLocal类中有一个Map,用于存储每一个线程的变量副本,Map中元素的键为线程对象,而值对应线程的变量副本。

一个TheadLocal实例 
我们通过一个具体的实例了解一下ThreadLocal的具体使用方法。   

package cn.chinotan.service.thredLocal;

import com.google.common.util.concurrent.ThreadFactoryBuilder;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * @program: test
 * @description: thredLocalDemo
 * @author: xingcheng
 * @create: 2018-09-09 17:13
 **/
public class ThreadLocalDemo {

    static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){
        // 进行初始化
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };

    static Integer countRef = 0;

    private Integer getNextCount() {
        count.set(count.get() + 1);
        return count.get();
    }

    private Integer getNextCountRef() {
        countRef = countRef + 1;
        return countRef;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
                .setNameFormat("demo-pool-%d").build();
        ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(10, 10,
                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(), namedThreadFactory);

        ThreadLocalDemo threadLocalDemo = new ThreadLocalDemo();
        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
        
        // 参照
        ThreadLocalDemo threadLocalDemoRef = new ThreadLocalDemo();
        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));
        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));
        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));

        executorService.shutdown();
    }
    
    static class CountRun implements Runnable{

        private ThreadLocalDemo demo;

        public CountRun(ThreadLocalDemo dem) {
            demo = dem;
        }

        @Override
        public void run() {
            for(int i = 0; i < 3; i++){
                System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName()+ "] count [" + demo.getNextCount() + "]");
            }
        }
    }

    static class CountRunRef extends Thread{

        private ThreadLocalDemo demo;

        public CountRunRef(ThreadLocalDemo dem) {
            demo = dem;
        }

        @Override
        public void run() {
            for(int i = 0; i < 3; i++){
                System.out.println("threadRef[" + Thread.currentThread().getName()+ "] count [" + demo.getNextCountRef() + "]");
            }
        }
    }
}

输出:

ThreadLocal实现线程安全

考查输出的结果信息,我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个Sequence Number实例,但它们并没有发生相互干扰的情况,而是各自产生独立的序列号,这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。 

与Thread同步机制的比较 

ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢?ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。 

在同步机制中,通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的,使用同步机制要求程序缜密地分析什么时候对变量进行读写,什么时候需要锁定某个对象,什么时候释放对象锁等繁杂的问题,程序设计和编写难度相对较大。 

而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对访问数据的冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本,从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的对象封装,在编写多线程代码时,可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。 

由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象,低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象,需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题,在一定程度上简化ThreadLocal的使用,代码清单9-2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal版本。 

概括起来说,对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式:访问串行化,对象共享化。而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式:访问并行化,对象独享化。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。 

Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题 

我们知道在一般情况下,只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享,在Spring中,绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean(如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等)中非线程安全的“状态性对象”采用ThreadLocal进行封装,让它们也成为线程安全的“状态性对象”,因此有状态的Bean就能够以singleton的方式在多线程中正常工作了。

一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次,在不同的层中编写对应的逻辑,下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下,从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程,这样用户就可以根据需要,将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放,在同一次请求响应的调用线程中,所有对象所访问的同一ThreadLocal变量都是当前线程所绑定的。

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