Threadlocal 研究1

1 使用场景

每个线程都需要独享一个对象，来达到线程安全的目的。
每个线程都有对象的副本。
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。

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

java.lang.ThreadLocal<T>

场景1代码：

线程不安全的代码

package com.mxixm.spring.mvc;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class Main2 {
    static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
    static SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        for (int i =0;i < 1000; i++) {
            int d = i;
            pool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    String date = new Main2().convert(d);
                    System.out.println(date);
                }
            });
        }
        pool.shutdown();
    }

    public String convert(int seconds) {
        Date date = new Date(1000 * seconds);
        return format.format(date);
    }
}

改进1

// 改进1，加锁
    public String convert1(int seconds) {
        Date date = new Date(1000 * seconds);
        String s = "";
        synchronized (Main2.class) {
            s = format.format(date);
        }
        return s;
    }

改进2：使用Threadlocal

package com.mxixm.spring.mvc;

        import java.text.SimpleDateFormat;
        import java.util.Date;
        import java.util.concurrent.ExecutorService;
        import java.util.concurrent.Executors;

public class Main2 {
    static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
    static SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        for (int i =0;i < 1000; i++) {
            int d = i;
            pool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    String date = new Main2().convert(d);
                    System.out.println(date);
                }
            });
        }
        pool.shutdown();
    }

    public String convert(int seconds) {
        Date date = new Date(1000 * seconds);
        return format.format(date);
    }

    // 改进1，加锁
    public String convert1(int seconds) {
        Date date = new Date(1000 * seconds);
        String s = "";
        synchronized (Main2.class) {
            s = format.format(date);
        }
        return s;
    }

    /**
     * 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
     */
    public String convert2(int seconds) {
        Date date = new Date(1000 * seconds);
        SimpleDateFormat format = ThreadLocalFormatter.formatThreadLocal.get();
        return format.format(date);
    }

}

class ThreadLocalFormatter {
    public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> formatThreadLocal = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>(){
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
        }
    };
}

场景2代码：
当前用户信息需要被线程内的所有方法共享

如果考虑用一个map来存，在多线环境下有问题，如果用加锁和ConcurrentHashMap会带来性能问题。

实例：

package com.mxixm.spring.mvc;

public class Main3 {
    public static void main(String[] args) {
        new Service1().proc1();
    }
}

class Service1 {
    public void proc1() {
        User user = new User("test");
        System.out.println("proc 1 ...." + user.name);
        ThreadLocalContext.threadLocal.set(user);
        new Service2().proc2();
    }
}

class Service2 {
    public void proc2() {
        User user = ThreadLocalContext.threadLocal.get();
        System.out.println("proc 2 ...." + user.name);
        new Service3().proc3();
    }
}

class Service3 {
    public void proc3() {
        User user = ThreadLocalContext.threadLocal.get();
        System.out.println("proc 3 ...." + user.name);
    }
}

class User {
    String name;
    public User(String name) {
        this.name = name;
    }
}

class ThreadLocalContext {
    public static ThreadLocal<User> threadLocal = new ThreadLocal<>();
}

3 总结

可以做到线程安全，每个线程都有一个对象的副本
可以在任何方法中轻松获取到对象（get方法）
可以根据对象生成的时机选择使用initalValue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 Threadlocal好处

线程安全
不需要加锁，性能搞
节省内存
免去传参的繁琐，降低耦合

5 原理

image.png

每个Thread类内部都有一个ThreadLocalMap对象。
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocalMap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。

6 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

void set(T t)
为这个线程设置一个新值

public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocal.ThreadLocalMap map = this.getMap(t);
        if (map != null) {
            map.set(this, value);
        } else {
            this.createMap(t, value);
        }

    }

T get()
获取线程对应的value

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocal.ThreadLocalMap map = this.getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                T result = e.value;
                return result;
            }
        }

        return this.setInitialValue();
    }

void remove()
删除对应这个线程的值

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

    }

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = this.table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & len - 1;

            for(ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                if (e.get() == key) {
                    e.clear();
                    this.expungeStaleEntry(i);
                    return;
                }
            }

        }

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;
            //调用父类，父类是一个弱引用
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                this.value = v;
            }
        }

6 注意事项

内存泄漏问题
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

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。
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。

private void resize() {
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] oldTab = this.table;
            int oldLen = oldTab.length;
            int newLen = oldLen * 2;
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] newTab = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[newLen];
            int count = 0;
            ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] var6 = oldTab;
            int var7 = oldTab.length;

            for(int var8 = 0; var8 < var7; ++var8) {
                ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = var6[var8];
                if (e != null) {
                    ThreadLocal<?> k = (ThreadLocal)e.get();
                    //当ThreadLocal为空时，将ThreadLocal对应的value也设置为null
                    if (k == null) {
                        e.value = null; // Help the GC
                    } else {
                        int h;
                        for(h = k.threadLocalHashCode & newLen - 1; newTab[h] != null; h = nextIndex(h, newLen)) {
                        }

                        newTab[h] = e;
                        ++count;
                    }
                }
            }

            this.setThreshold(newLen);
            this.size = count;
            this.table = newTab;
        }

使用ThreadLocal之后，都应该调用remove方法（阿里规范）

class Service3 {
    public void proc3() {
        User user = ThreadLocalContext.threadLocal.get();
        System.out.println("proc 3 ...." + user.name);
        // 调用完ThreadLocal后，都应该调用remove方法
        // 手动释放内存，从而避免内存泄漏
        ThreadLocalContext.threadLocal.remove();
    }
}

ThreadLocal的空指针异常问题

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。这是因为基本类型和包装类型存在装箱和拆箱的关系，造成空指针问题的原因在于使用者。

package com.mxixm.spring.mvc;

import java.net.ServerSocket;

/**
 * ThreadLocal的空指针异常问题
 */
public class Main4 {
    ThreadLocal<Long> longThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    void set() {
        longThreadLocal.set(Thread.currentThread().getId());
    }

    Long get() {
        return longThreadLocal.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Main4 main4 = new Main4();
        //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(main4.get());

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                main4.set();
                System.out.println(main4.get());
            }
        }).start();
    }
}

共享对象问题

如果在每个线程中ThreadLocal.set()进去的东西本来就是多个线程共享的同一对象，比如static对象，那么多个线程调用ThreadLocal.get()获取的内容还是同一个对象，还是会发生线程安全问题。

可以不使用ThreadLocal就不要强行使用

如果在任务数很少的时候，在局部方法中创建对象就可以解决问题，这样就不需要使用ThreadLocal。

优先使用框架的支持，而不是自己创造

例如在Spring框架中，如果可以使用RequestContextHolder，那么就不需要自己维护ThreadLocal，因为自己可能会忘记调用remove()方法等，造成内存泄漏。

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