多线程之线程局部变量ThreadLocal及原理

一、线程局部变量ThreadLocal

ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，那么每个线程可以访问自己内部的副本变量。既然是只有当前线程可以访问的数据，自然是线程安全的。

主要方法:



initialValue()方法可以重写，它默认是返回null。

下面来看一个例子：

public class ThreadLocalTest {
private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
public static class ParseDate implements Runnable{
int i = 0;
public ParseDate(int i){this.i = i;}
@Override
public void run() {
try{
Date t = sdf.parse("2017-07-16 10:34:" + i % 60);
System.out.println(i + ":" + t);
}catch (ParseException e){
e.printStackTrace();
}
}
}

public static void main(String[] args) {
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);
for(int i = 0;i<10;i++){
es.execute(new ParseDate(i));
}
es.shutdown();
}
}

执行上面的程序可以回得到下面的异常：



因为SimpleDateFormat.parse方法并不是线程安全的，因此在线程池中共享这个对象必然导致错误。

一种可行的方法就是加锁:

public class ThreadLocalTest {
private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
public static class ParseDate implements Runnable{
int i = 0;
public ParseDate(int i){this.i = i;}
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
try{
lock.lock();
Date t = sdf.parse("2017-07-16 10:34:" + i % 60);
System.out.println(i + ":" + t);
lock.unlock();
}catch (ParseException e){
e.printStackTrace();
}
}
}

public static void main(String[] args) {
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);
for(int i = 0;i<10;i++){
es.execute(new ParseDate(i));
}
es.shutdown();
}
}

运行结果：



我们也可以用ThreadLocal为每一个线程都产生一个SimpleDateFormat对象实例：

public class ThreadLocalTest {
static ThreadLocal<SimpleDateFormat> tl = new ThreadLocal<>();
public static class ParseDate implements Runnable{
int i = 0;
public ParseDate(int i){this.i = i;}
@Override
public void run() {
try{
if(tl.get() == null){
tl.set(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
}
Date t = tl.get().parse("2017-07-16 10:34:" + i % 60);
System.out.println(i + ":" + t);
}catch (ParseException e){
e.printStackTrace();
}
}
}

public static void main(String[] args) {
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);
for(int i = 0;i<10;i++){
es.execute(new ParseDate(i));
}
es.shutdown();
}
}

运行结果也是OK的。

这里要注意的是：需要自己为每个线程分配不同的SimpleDateFormat对象，ThreadLocal只是起到了简单的容器的作用。如果在应用上为每一个线程分配了相同的对象实例，那么ThreadLocal也不能保证线程安全。

看到这里可能你会问:上面这个例子，把ThreadLocal换成，直接在ParseDate中创建一个成员变量Private SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat(“yyyy-MM-dd HH:mm:dd”)不也可以达到同样的效果。当然这样效果跟ThreadLocal是一样的，ThreadLocal只是提供了一个容器，容纳这些需要在每个线程上都互不干扰的变量的副本。

二、ThreadLocal源码分析

下面我们来分析下ThreadLocal的源码，看看是怎么保证这些对象只被当前线程所访问。

首先我们要先了解ThreadLocal中的一个静态内部类：ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是一个类似HashMap的东西，更准确的说是WeakHashMap。

进一步查看ThreadLocalMap的实现，可以看到它由一系列的Entry构成:

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
Object value;

Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}

可以看到ThreadLocal的实现使用了弱引用。为什么要使用弱引用呢？

先看看WeakRefercence的特点:

WeakReference是Java语言规范中为了区别直接的对象引用（程序中通过构造函数声明出来的对象引用）而定义的另外一种引用关系。WeakReference标志性的特点是：reference实例不会影响到被应用对象的GC回收行为（即只要对象被除WeakReference对象之外所有的对象解除引用后，该对象便可以被GC回收），只不过在被对象回收之后，reference实例想获得被应用的对象时程序会返回null。

ThreadLocalMap中的每个Entry都引用了ThreadLocal实例，如果ThreadLocal实例是强引用，那么即使把ThreadLocal的实例设为null，但这个实例在ThreadLocalMap中还有引用，导致无法被GC回收。声明为WeakReference的话，ThreadLocal实例在ThreadLocalMap中的引用就为弱引用，那么把ThreadLocal实例设为null后，它就可以被GC回收了。当然，如果使用完ThreadLocal实例的话，最好是用threadLocal.remove()来代替threadLocal
= null。

主要看ThreadLocal的set()和get()方法。

首先我们要知道每个Thread实例都有一个ThreadLocalMap类型的成员变量:

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

set()方法：

public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();   //拿到当前线程
ThreadLocalMap map = getMap(t);   //拿到当前线程t的那个ThreadLocalMap类型的成员变量
if (map != null)
map.set(this, value); //map不为null，就把键为该threadLocal的entry的值设置为value
else
createMap(t, value);//map为null，就为当前线程的那个成员变量new一个ThreadLocalMap并加入一个键为该threadLocal，值为value的Entry。
}

get()方法：

public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();  //拿到当前线程
ThreadLocalMap map = getMap(t);  //拿到当前线程的那个ThreadLocalMap类型的成员变量
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);//map不为null，取出键为该threadLocal的Entry对象
if (e != null)
return (T)e.value; //存在这个Entry对象，就返回它的值
}
return setInitialValue();  //map为null，就为当前线程的那个成员变量new一个ThreadLocalMap并加入一个键为该threadLocal，值为初始值的Entry
}

总结一下：

1、变量的副本是通过ThreadLocalMap来存储，键为ThreadLocal实例(每个线程可以有多个ThreadLocal实例)，值为变量的值。

2、每个线程都有一个ThreadLocalMap类型的threadLocals 变量，实际也就存储在这。

3、一般要在get()之前先set()，否则会抛出空指针异常，除非重写initialValue方法。