ThreadLocal的定義、用法及優(yōu)點(diǎn)

ThreadLocal

簡(jiǎn)介

ThreadLocal是Java中一個(gè)非常重要的線程技術(shù)。它可以讓每個(gè)線程都擁有自己的變量副本，避免了線程間的競(jìng)爭(zhēng)和數(shù)據(jù)泄露問(wèn)題。在本文中，我們將詳細(xì)介紹ThreadLocal的定義、用法及其優(yōu)點(diǎn)。

ThreadLocal是Java中一個(gè)用來(lái)實(shí)現(xiàn)線程封閉技術(shù)的類。它提供了一個(gè)本地線程變量，可以在多線程環(huán)境下使每個(gè)線程都擁有自己的變量副本。每個(gè)線程都可以獨(dú)立地改變自己的副本，而不會(huì)影響到其他線程的副本。ThreadLocal的實(shí)現(xiàn)是基于ThreadLocalMap的，每個(gè)ThreadLocal對(duì)象 都對(duì)應(yīng)一個(gè)ThreadLocalMap，其中存儲(chǔ)了線程本地變量的值。

優(yōu)缺點(diǎn)

ThreadLocal的主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高并發(fā)程序的性能和安全性，同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)和使用場(chǎng)景需要注意。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 提高并發(fā)性能：使用ThreadLocal可以避免多個(gè)線程之間的競(jìng)爭(zhēng)，從而提高程序的并發(fā)性能。
2. 保證線程安全：每個(gè)線程有自己獨(dú)立的變量副本，避免了線程安全問(wèn)題。
3. 簡(jiǎn)化代碼：使用ThreadLocal可以避免傳遞參數(shù)的繁瑣，簡(jiǎn)化代碼。

缺點(diǎn)：

1. 內(nèi)存泄漏：ThreadLocal變量副本的生命周期與線程的生命周期一樣長(zhǎng)，如果線程長(zhǎng)時(shí)間存在，而ThreadLocal變量沒(méi)有及時(shí)清理，就會(huì)造成內(nèi)存泄漏。
2. 增加資源開(kāi)銷(xiāo)：每個(gè)線程都要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的變量副本，如果線程數(shù)很多，就會(huì)增加資源開(kāi)銷(xiāo)。
3. 不適用于共享變量：ThreadLocal適用于每個(gè)線程有獨(dú)立的變量副本的場(chǎng)景，不適用于共享變量的場(chǎng)景。

適用場(chǎng)景

1. 線程安全的對(duì)象：ThreadLocal適用于需要在多個(gè)線程中使用的線程安全對(duì)象，例如SimpleDateFormat、Random等。
2. 跨層傳遞參數(shù)：ThreadLocal可以避免在方法之間傳遞參數(shù)的繁瑣，尤其在跨層傳遞參數(shù)的場(chǎng)景中，可以大大簡(jiǎn)化代碼。
3. 線程局部變量：ThreadLocal可以用于在當(dāng)前線程中存儲(chǔ)和訪問(wèn)局部變量，例如日志、請(qǐng)求信息等。

實(shí)現(xiàn)原理

首先通過(guò)一張圖看下ThreadLocal與線程的關(guān)系圖：

1. 每個(gè)Thread對(duì)象都有一個(gè)ThreadLocalMap類型的成員變量threadLocals，這個(gè)變量是一個(gè)鍵值對(duì)集合，用于存儲(chǔ)每個(gè)ThreadLocal對(duì)象對(duì)應(yīng)的值。
2. 每個(gè)ThreadLocal對(duì)象都有一個(gè)唯一的ID，用于在ThreadLocalMap中作為鍵來(lái)存儲(chǔ)值。
3. 當(dāng)一個(gè)線程第一次調(diào)用ThreadLocal對(duì)象的get()方法時(shí)，它會(huì)先獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap對(duì)象，然后以ThreadLocal對(duì)象的ID作為鍵，從ThreadLocalMap中獲取對(duì)應(yīng)的值。
4. 如果ThreadLocalMap中不存在對(duì)應(yīng)的鍵值對(duì)，則調(diào)用ThreadLocal對(duì)象的initialValue()方法來(lái)初始化一個(gè)值，并將其存儲(chǔ)到ThreadLocalMap中。
5. 如果ThreadLocalMap對(duì)象的引用不再需要，那么需要手動(dòng)將其置為null，這樣可以避免內(nèi)存泄漏。

內(nèi)存泄漏：

ThreadLocal變量副本的生命周期與線程的生命周期一樣長(zhǎng)，如果線程長(zhǎng)時(shí)間存在，而ThreadLocal變量沒(méi)有及時(shí)清理，就會(huì)造成內(nèi)存泄漏。為了避免內(nèi)存泄漏，可以在使用ThreadLocal的地方及時(shí)清理ThreadLocal變量，例如在線程池中使用ThreadLocal時(shí)，需要在線程結(jié)束時(shí)手動(dòng)清理ThreadLocal變量。

內(nèi)存泄漏出現(xiàn)的原因：

ThreadLocalMap中的Entry對(duì)象持有ThreadLocal對(duì)象的弱引用，但是ThreadLocalMap中的Entry對(duì)象是由ThreadLocal對(duì)象強(qiáng)引用的。
如果ThreadLocal對(duì)象沒(méi)有及時(shí)清理，在ThreadLocal對(duì)象被垃圾回收時(shí)，ThreadLocalMap中的Entry對(duì)象仍然存在，從而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

解決內(nèi)存泄漏的方法：

在使用ThreadLocal的代碼中及時(shí)清理ThreadLocal變量。通常情況下，我們可以使用ThreadLocal的remove()方法手動(dòng)清理ThreadLocal
變量，或者在使用完ThreadLocal變量后將其設(shè)置為null。

通過(guò)上圖我們可以看到，在線程方法執(zhí)行過(guò)程中，ThreadLocal、ThreadLocalMap以及Thread之間的引用關(guān)系; Thread中存在一個(gè)屬性threadLocals指向了ThreadLocalMap，ThreadLocal實(shí)現(xiàn)線程級(jí)別的數(shù)據(jù)隔離主要是基于該對(duì)象；在ThreadLocal中是沒(méi)有存儲(chǔ)任何數(shù)據(jù)，其更像一個(gè)線程與ThreadLocalMap間的協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ThreadLocalMap中，但是該Map的Key卻是ThreadLocal的弱引用；

一般情況下，線程執(zhí)行完成后，待線程銷(xiāo)毀，那么線程對(duì)應(yīng)的屬性threadLocals也會(huì)被銷(xiāo)毀；但是真實(shí)環(huán)境中對(duì)線程的使用大部分都是線程池，這樣在整個(gè)系統(tǒng)生命周期中， 線程都是有效的，直至線程池關(guān)閉。而將ThreadLocalMap的Key設(shè)置成弱引用時(shí)，經(jīng)過(guò)GC后該Map的Key則變成了null，但是其Value卻一直存在，因此需要手動(dòng)將key為null 的數(shù)據(jù)進(jìn)行清理。

下面是一個(gè)示例演示如何避免ThreadLocal內(nèi)存泄漏：

public class MyThreadLocal {
    
    private static ThreadLocal< String > threadLocal = new ThreadLocal<  >();

    public static void set(String value) {
        threadLocal.set(value);
    }

    public static String get() {
        return threadLocal.get();
    }

    public static void remove() {
        threadLocal.remove();
    }
}

public class MyRunnable implements Runnable {
    
    @Override
    public void run() {
        MyThreadLocal.set("hello");
        System.out.println(MyThreadLocal.get());
        // 在使用完ThreadLocal變量后，調(diào)用remove()方法清理ThreadLocal變量
        MyThreadLocal.remove();
    }
}

在上面的代碼中，MyThreadLocal類封裝了ThreadLocal變量的操作，MyRunnable類實(shí)現(xiàn)了Runnable接口，使用MyThreadLocal類來(lái)存儲(chǔ)和訪問(wèn) ThreadLocal變量。在MyRunnable的run()方法中，使用完ThreadLocal變量后，調(diào)用remove()方法清理ThreadLocal變量，避免了內(nèi)存泄漏的問(wèn)題。

ThreadLocal一般會(huì)設(shè)置成static

主要是為了避免重復(fù)創(chuàng)建TSO（thread specific object，即與線程相關(guān)的變量。）我們知道，一個(gè)ThreadLocal實(shí)例對(duì)應(yīng)當(dāng)前線程中的一個(gè)TSO實(shí)例。如果把ThreadLocal聲明為某個(gè)類的實(shí)例變量（而不是靜態(tài)變量），那么每創(chuàng)建一個(gè)該類的實(shí)例就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)新的TSO實(shí)例被創(chuàng)建。而這些被創(chuàng)建的TSO實(shí)例是同一個(gè)類的實(shí)例。同一個(gè)線程可能會(huì)訪問(wèn)到同一個(gè)TSO（指類）的不同實(shí)例，這即便不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，也會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)！

簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在ThreadLocalMap中，同一個(gè)線程是否有必要設(shè)置多個(gè)ThreadLocal來(lái)存儲(chǔ)線程變量？

示例

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，演示了如何使用ThreadLocal來(lái)實(shí)現(xiàn)線程數(shù)據(jù)隔離：

public class ThreadLocalTest {
    
    private static ThreadLocal< String > threadLocal = new ThreadLocal<  >();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() - > {
            threadLocal.set("Thread A");
            System.out.println("Thread A: " + threadLocal.get());
        }).start();

        new Thread(() - > {
            threadLocal.set("Thread B");
            System.out.println("Thread B: " + threadLocal.get());
        }).start();

        Thread.sleep(1000);

        System.out.println("Main: " + threadLocal.get());
    }
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

Thread A: Thread A
Thread B: Thread B
Main: null

從輸出結(jié)果可以看出，每個(gè)線程都擁有自己的變量副本，互不影響。而在主線程中，由于沒(méi)有設(shè)置過(guò)變量副本，所以返回null。

結(jié)束語(yǔ)

ThreadLocal是幫助我們?cè)诙鄠€(gè)線程間實(shí)現(xiàn)線程對(duì)數(shù)據(jù)獨(dú)享，并不是用來(lái)解決線程間的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題。