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使用 ThreadLocal 一次解决老大难问题

时间：2019-07-16 14:18:07

1.ThreadLocal的使用场景

1.1 场景1

每个线程需要一个独享对象（通常是工具类，典型需要使用的类有SimpleDateFormat和Random）

每个Thread内有自己的实例副本，不共享

比喻：教材只有一本，一起做笔记有线程安全问题。复印后没有问题，使用ThradLocal相当于复印了教材。

1.2 场景2

每个线程内需要保存全局变量（例如在拦截器中获取用户信息），可以让不同方法直接使用，避免参数传递的麻烦

2.对以上场景的实践

2.1 实践场景1

/***两个线程打印日期*/publicclassThreadLocalNormalUsage00{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){Stringdate=newThreadLocalNormalUsage00().date(10);System.out.println(date);}}).start();newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){Stringdate=newThreadLocalNormalUsage00().date(104707);System.out.println(date);}}).start();}publicStringdate(intseconds){//参数的单位是毫秒，从1970.1.100:00:00GMT开始计时Datedate=newDate(1000*seconds);SimpleDateFormatdateFormat=newSimpleDateFormat("yyyy-MM-ddhh:mm:ss");returndateFormat.format(date);}}

运行结果

因为中国位于东八区，所以时间从1970年1月1日的8点开始计算的

/***三十个线程打印日期*/publicclassThreadLocalNormalUsage01{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{for(inti=0;i<30;i++){intfinalI=i;newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){Stringdate=newThreadLocalNormalUsage01().date(finalI);System.out.println(date);}}).start();//线程启动后，休眠100msThread.sleep(100);}}publicStringdate(intseconds){//参数的单位是毫秒，从1970.1.100:00:00GMT开始计时Datedate=newDate(1000*seconds);SimpleDateFormatdateFormat=newSimpleDateFormat("yyyy-MM-ddhh:mm:ss");returndateFormat.format(date);}}

运行结果

多个线程打印自己的时间（如果线程超级多就会产生性能问题），所以要使用线程池。

/***1000个线程打印日期，用线程池来执行*/publicclassThreadLocalNormalUsage02{publicstaticExecutorServicethreadPool=Executors.newFixedThreadPool(10);publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{for(inti=0;i<1000;i++){intfinalI=i;//提交任务threadPool.submit(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){Stringdate=newThreadLocalNormalUsage02().date(finalI);System.out.println(date);}});}threadPool.shutdown();}publicStringdate(intseconds){//参数的单位是毫秒，从1970.1.100:00:00GMT开始计时Datedate=newDate(1000*seconds);SimpleDateFormatdateFormat=newSimpleDateFormat("yyyy-MM-ddhh:mm:ss");returndateFormat.format(date);}}

运行结果

但是使用线程池时就会发现每个线程都有一个自己的SimpleDateFormat对象，没有必要，所以将SimpleDateFormat声明为静态，保证只有一个

/***1000个线程打印日期，用线程池来执行，出现线程安全问题*/publicclassThreadLocalNormalUsage03{publicstaticExecutorServicethreadPool=Executors.newFixedThreadPool(10);//只创建一次SimpleDateFormat对象，避免不必要的资源消耗staticSimpleDateFormatdateFormat=newSimpleDateFormat("yyyy-MM-ddhh:mm:ss");publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{for(inti=0;i<1000;i++){intfinalI=i;//提交任务threadPool.submit(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){Stringdate=newThreadLocalNormalUsage03().date(finalI);System.out.println(date);}});}threadPool.shutdown();}publicStringdate(intseconds){//参数的单位是毫秒，从1970.1.100:00:00GMT开始计时Datedate=newDate(1000*seconds);returndateFormat.format(date);}}

运行结果

出现了秒数相同的打印结果，这显然是不正确的。

出现问题的原因

多个线程的task指向了同一个SimpleDateFormat对象，SimpleDateFormat是非线程安全的。

解决问题的方案

方案1：加锁

格式化代码是在最后一句return dateFormat.format(date);,所以可以为最后一句代码添加synchronized锁

publicStringdate(intseconds){//参数的单位是毫秒，从1970.1.100:00:00GMT开始计时Datedate=newDate(1000*seconds);Strings;synchronized(ThreadLocalNormalUsage04.class){s=dateFormat.format(date);}returns;}

运行结果

运行结果中没有发现相同的时间，达到了线程安全的目的

缺点：因为添加了synchronized，所以会保证同一时间只有一条线程可以执行，这在高并发场景下肯定不是一个好的选择，所以看看其他方案吧。

方案2：使用ThreadLocal

/***利用ThreadLocal给每个线程分配自己的dateFormat对象*不但保证了线程安全，还高效的利用了内存*/publicclassThreadLocalNormalUsage05{publicstaticExecutorServicethreadPool=Executors.newFixedThreadPool(10);publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{for(inti=0;i<1000;i++){intfinalI=i;//提交任务threadPool.submit(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){Stringdate=newThreadLocalNormalUsage05().date(finalI);System.out.println(date);}});}threadPool.shutdown();}publicStringdate(intseconds){//参数的单位是毫秒，从1970.1.100:00:00GMT开始计时Datedate=newDate(1000*seconds);//获取SimpleDateFormat对象SimpleDateFormatdateFormat=ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal.get();returndateFormat.format(date);}}classThreadSafeFormatter{publicstaticThreadLocal<SimpleDateFormat>dateFormatThreadLocal=newThreadLocal<SimpleDateFormat>(){//创建一份SimpleDateFormat对象@OverrideprotectedSimpleDateFormatinitialValue(){returnnewSimpleDateFormat("yyyy-MM-ddhh:mm:ss");}};}

运行结果

使用了ThreadLocal后不同的线程不会有共享的 SimpleDateFormat 对象，所以也就不会有线程安全问题

2.2 实践场景2

当前用户信息需要被线程内的所有方法共享

方案1：传递参数

可以将user作为参数在每个方法中进行传递，

缺点：但是这样做会产生代码冗余问题，并且可维护性差。

方案2：使用Map

对此进行改进的方案是使用一个Map，在第一个方法中存储信息，后续需要使用直接get()即可，

缺点：如果在单线程环境下可以保证安全，但是在多线程环境下是不可以的。如果使用加锁和ConcurrentHashMap都会产生性能问题。

方案3：使用ThreadLocal，实现不同方法间的资源共享

使用 ThreadLocal 可以避免加锁产生的性能问题，也可以避免层层传递参数来实现业务需求，就可以实现不同线程中存储不同信息的要求。

/***演示 ThreadLocal 的用法2：避免参数传递的麻烦*/publicclassThreadLocalNormalUsage06{publicstaticvoidmain(String[]args){newService1().process();}}classService1{publicvoidprocess(){Useruser=newUser("鲁毅");//将User对象存储到holder中UserContextHolder.holder.set(user);newService2().process();}}classService2{publicvoidprocess(){Useruser=UserContextHolder.holder.get();System.out.println("Service2拿到用户名:"+user.name);newService3().process();}}classService3{publicvoidprocess(){Useruser=UserContextHolder.holder.get();System.out.println("Service3拿到用户名:"+user.name);}}classUserContextHolder{publicstaticThreadLocal<User>holder=newThreadLocal<>();}classUser{Stringname;publicUser(Stringname){this.name=name;}}

运行结果

3. 对ThreadLocal的总结

让某个需要用到的对象实现线程之间的隔离（每个线程都有自己独立的对象）

可以在任何方法中轻松的获取到该对象

根据共享对象生成的时机选择使用initialValue方法还是set方法

对象初始化的时机由我们控制的时候使用initialValue 方式

如果对象生成的时机不由我们控制的时候使用 set 方式

4. 使用ThreadLocal的好处

达到线程安全的目的

不需要加锁，执行效率高

更加节省内存，节省开销

免去传参的繁琐，降低代码耦合度

5. ThreadLocal原理

Thread

ThreadLocal

ThreadLocalMap

在Thread类内部有有ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;这个变量，它用于存储ThreadLocal，因为在同一个线程当中可以有多个ThreadLocal，并且多次调用get()所以需要在内部维护一个ThreadLocalMap用来存储多个ThreadLocal

5.1 ThreadLocal相关方法

T initialValue()

该方法用于设置初始值，并且在调用get()方法时才会被触发，所以是懒加载。

但是如果在get()之前进行了set()操作，这样就不会调用initialValue()。

通常每个线程只能调用一次本方法，但是调用了remove()后就能再次调用

publicTget(){Threadt=Thread.currentThread();ThreadLocalMapmap=getMap(t);//获取到了值直接返回resuleif(map!=null){ThreadLocalMap.Entrye=map.getEntry(this);if(e!=null){@SuppressWarnings("unchecked")Tresult=(T)e.value;returnresult;}}//没有获取到才会进行初始化returnsetInitialValue();}privateTsetInitialValue(){//获取initialValue生成的值，并在后续操作中进行set，最后将值返回Tvalue=initialValue();Threadt=Thread.currentThread();ThreadLocalMapmap=getMap(t);if(map!=null)map.set(this,value);elsecreateMap(t,value);returnvalue;}publicvoidremove(){ThreadLocalMapm=getMap(Thread.currentThread());if(m!=null)m.remove(this);}

void set(T t)

为这个线程设置一个新值

publicvoidset(Tvalue){Threadt=Thread.currentThread();ThreadLocalMapmap=getMap(t);if(map!=null)map.set(this,value);elsecreateMap(t,value);}

T get()

获取线程对应的value

publicTget(){Threadt=Thread.currentThread();ThreadLocalMapmap=getMap(t);if(map!=null){ThreadLocalMap.Entrye=map.getEntry(this);if(e!=null){@SuppressWarnings("unchecked")Tresult=(T)e.value;returnresult;}}returnsetInitialValue();}

void remove()

删除对应这个线程的值

6.ThreadLocal注意点

6.1 内存泄漏

内存泄露；某个对象不会再被使用，但是该对象的内存却无法被收回

staticclassThreadLocalMap{staticclassEntryextendsWeakReference<ThreadLocal<?>>{/**ThevalueassociatedwiththisThreadLocal.*/Objectvalue;Entry(ThreadLocal<?>k,Objectv){//调用父类，父类是一个弱引用super(k);//强引用value=v;}}

强引用：当内存不足时触发GC，宁愿抛出OOM也不会回收强引用的内存

弱引用：触发GC后便会回收弱引用的内存

正常情况

当Thread运行结束后，ThreadLocal中的value会被回收，因为没有任何强引用了

非正常情况

当Thread一直在运行始终不结束，强引用就不会被回收，存在以下调用链Thread-->ThreadLocalMap-->Entry(key为null)-->value因为调用链中的 value 和 Thread 存在强引用，所以value无法被回收，就有可能出现OOM。

JDK的设计已经考虑到了这个问题，所以在set()、remove()、resize()方法中会扫描到key为null的Entry，并且把对应的value设置为null，这样value对象就可以被回收。

privatevoidresize(){Entry[]oldTab=table;intoldLen=oldTab.length;intnewLen=oldLen*2;Entry[]newTab=newEntry[newLen];intcount=0;for(intj=0;j<oldLen;++j){Entrye=oldTab[j];if(e!=null){ThreadLocal<?>k=e.get();//当ThreadLocal为空时，将ThreadLocal对应的value也设置为nullif(k==null){e.value=null;//HelptheGC}else{inth=k.threadLocalHashCode&(newLen-1);while(newTab[h]!=null)h=nextIndex(h,newLen);newTab[h]=e;count++;}}}setThreshold(newLen);size=count;table=newTab;}

但是只有在调用set()、remove()、resize()这些方法时才会进行这些操作，如果没有调用这些方法并且线程不停止，那么调用链就会一直存在，所以可能会发生内存泄漏。

6.2 如何避免内存泄漏（阿里规约）

调用remove()方法，就会删除对应的Entry对象，可以避免内存泄漏，所以使用完ThreadLocal后，要调用remove()方法。

classService1{publicvoidprocess(){Useruser=newUser("鲁毅");//将User对象存储到holder中UserContextHolder.holder.set(user);newService2().process();}}classService2{publicvoidprocess(){Useruser=UserContextHolder.holder.get();System.out.println("Service2拿到用户名:"+user.name);newService3().process();}}classService3{publicvoidprocess(){Useruser=UserContextHolder.holder.get();System.out.println("Service3拿到用户名:"+user.name);//手动释放内存，从而避免内存泄漏UserContextHolder.holder.remove();}}

6.3 ThreadLocal的空指针异常问题

/***ThreadLocal的空指针异常问题*/publicclassThreadLocalNPE{ThreadLocal<Long>longThreadLocal=newThreadLocal<>();publicvoidset(){longThreadLocal.set(Thread.currentThread().getId());}publicLongget(){returnlongThreadLocal.get();}publicstaticvoidmain(String[]args){ThreadLocalNPEthreadLocalNPE=newThreadLocalNPE();//如果get方法返回值为基本类型，则会报空指针异常，如果是包装类型就不会出错System.out.println(threadLocalNPE.get());Threadthread1=newThread(newRunnable(){@Overridepublicvoidrun(){threadLocalNPE.set();System.out.println(threadLocalNPE.get());}});thread1.start();}}