快速了解Java中ThreadLocal类

快速了解Java中ThreadLocal类

最近看android FrameWork层代码，看到了ThreadLocal这个类，有点儿陌生，就翻了各种相关博客一一拜读；自己随后又研究了一遍源码，发现自己的理解较之前阅读的博文有不同之处，所以决定自己写篇文章说说自己的理解，希望可以起到以下作用：

- 可以疏通研究结果，加深自己的理解；

- 可以起到抛砖引玉的作用，帮助感兴趣的同学疏通思路；

- 分享学习经历，同大家一起交流和学习。

一、 ThreadLocal 是什么

ThreadLocal 是java类库的基础类，在包java.lang下面；

官方的解释是这样的：

Implements a thread-local storage, that is, a variable for which each thread has its own value. All threads share the same ThreadLocal object, but each sees a different value when accessing it, and changes made by one thread do not affect the other threads. The implementation supports null values.

大致意思是：

可以实现线程的本地存储机制，ThreadLocal变量是一个不同线程可以拥有不同值的变量。所有的线程可以共享同一个ThreadLocal对象，但是不同线程访问的时候可以取得不同的值，而且任意一个线程对它的改变不会影响其他线程。类实现是支持null值的（可以在set和get方法传递和访问null值）。

概括来讲有三个特性：

- 不同线程访问时取得不同的值

- 任意线程对它的改变不影响其他线程

- 支持null

下面分别对这些特性进行实例验证，首先定义一个Test类，在此类中我们鉴证上边所提到的三个特性。类定义如下：

Test.java

public class Test{

//定义ThreadLocal

private static ThreadLocal name;

public static void main(String[] args) throws Exception{

name = new ThreadLocal();

//Define Thread A

Thread a = new Thread(){

public void run(){

System.out.println("Before invoke set,value is:"+name.get());

name.set(“Thread A”);

System.out.println("After invoke set, value is:"+name.get());

}

}

;

//Define Thread B

Thread b = new Thread(){

public void run(){

System.out.println("Before invoke set,value is :"+name.get());

name.set(“Thread B”);

System.out.println("After invoke set,value is :"+name.get());

}

}

;

// Not invoke set, print the value is null

System.out.println(name.get());

// Invoke set to fill a value

name.set(“Thread Main”);

// Start thread A

a.start();

a.join();

// Print the value after changed the value by thread A

System.out.println(name.get());

// Start thread B

b.start();

b.join();

// Print the value after changed the value by thread B

System.out.println(name.get())

}

}

代码分析：

从定义中我们可以看到只声明了一个ThreadLocal对象，其他三个线程（主线程、Thread A和Thread B）共享同一个对象；然后，在不同的线程中修改对象的值和在不同的线程中访问对象的值，并在控制台输出查看结果。

看结果：

从控制台输出结果可以看到里边有三个null的输出，这个是因为在输出前没有对对象进行赋值，验证了支持null的特点；再者，还可以发现在每个线程我都对对象的值做了修改，但是在其他线程访问对象时并不是修改后的值，而是访问线程本地的值；这样也验证了其他两个特点。

二、 ThreadLocal的作用

大家都知道它的使用场景大都是多线程编程，至于http://具体的作用，这个怎么说那？我觉得这个只能用一个泛的说法来定义，因为一个东西的功能属性定义了以后会限制大家的思路，就好比说菜刀是用来切菜的，好多人就不会用它切西瓜了。

这里，说下我对它的作用的认识，仅供参考，希望能有所帮助。这样来描述吧，当一个多线程的程序需要对多数线程的部分任务（就是run方法里的部分代码）进行封装时，在封装体里就可以用ThreadLocal来包装与线程相关的成员变量，从而保证线程访问的独占性，而且所有线程可以共享一个封装体对象；可以参考下Android里的Looper。不会用代码描述问题的程序员不是好程序员；

看代码：统计线程某段代码耗时的工具（为说明问题自造）

StatisticCostTime.java

// Class that statistic the cost time

public class StatisticCostTime{

// record the startTime

// private ThreadLocal startTime = new ThreadLocal();

private long startTime;

// private ThreadLocal costTime = new ThreadLocal();

private long costTime;

private StatisticCostTime(){

}

//Singleton

public static final StatisticCostTime shareInstance(){

return InstanceFactory.instance;

}

private static class InstanceFactory{

private static final StatisticCostTime instance = new StatisticCostTime();

}

// start

public void start(){

// startTime.set(System. nanoTime ());

startTime = System.nanoTime();

}

// end

public void end(){

// costTime.set(System. nanoTime () - startTime.get());

costTime = System.nanoTime() - startTime;

}

public long getStartTime(){

return startTime;

// return startTime.get();

}

public long getCostTime(){

// return costTime.get();

return costTime;

}

好了，工具设计完工了,现在我们用它来统计一下线程耗时试试呗：

Main.java

public class Main{

public static void main(String[] args) throws Exception{

// Define the thread a

Thread a = new Thread(){

public void run(){

try{

// start record time

StatisticCostTime.shareInstance().start();

sleep(200);

// print the start time of A

System.out.println("A-startTime:"+StatisticCostTime.shareInstance().getStartTime());

// end the record

StatisticCostTime.shareInstance().end();

// print the costTime of A

System.out.println("A:"+StatisticCostTime.shareInstance().getCostTime());

}

catch(Exception e){

}

}

}

;

// start a

a.start();

// Define thread b

Thread b = new Thread(){

public void run(){

try{

// record the start time of B1

StatisticCostTime.shareInstance().start();

sleep(100);

// print the start time to console

System.out.println("B1-startTime:"+StatisticCostTime.shareInstance().getStartTime());

// end record start time of B1

StatisticCostTime.shareInstance().end();

// print the cost time of B1

System.out.println("B1:"+StatisticCostTime.shareInstance().getCostTime());

// start record time of B2

StatisticCostTime.shareInstance().start();

sleep(100);

// print start time of B2

System.out.println("B2-startTime:"+StatisticCostTime.shareInstance().getStartTime());

// end record time of B2

StatisticCostTime.shareInstance().end();

// print cost time of B2

System.out.println("B2:"+StatisticCostTime.shareInstance().getCostTime());

}

catch(Exception e){

}

}

}

;

b.start();

}

}

运行代码后输出结果是这样的

注意：输出结果精确度为纳秒级

看结果是不是和我们预想的不一样，发现A的结果应该约等于B1+B2才对呀，怎么变成和B2一样了那？答案就是我们在定义startTime和costTime变量时，本意是不应共享的，应是线程独占的才对。而这里变量随单例共享了，所以当计算A的值时，其实startTime已经被B2修改了，所以就输出了和B2一样的结果。

现在我们把StatisticCostTime中注释掉的部分打开，换成ThreadLocal的声明方式试下。

看结果：

呀！这下达到预期效果了，这时候有同学会说这不是可以线程并发访问了吗，是不是只要我用了ThreadLocal就可以保证线程安全了？答案是no！首先先弄明白为什么会有线程安全问题，无非两种情况：

1、不该共享的资源，你在线程间共享了；

2、线程间共享的资源，你没有保证有序访问；

前者可以用“空间换时间”的方式解决，用ThreadLocal（也可以直接声明线程局部变量），后者用“时间换空间”的方式解决，显然这个就不是ThreadLocal力所能及的了。

三、 ThreadLocal 原理

实现原理其实很简单，每次对ThreadLocal 对象的读写操作其实是对线程的Values对象的读写操作；这里澄清一下，没有什么变量副本的创建，因为就没有用变量分配的内存空间来存T对象的，而是用它所在线程的Values来存T对象的；我们在线程中每次调用ThreadLocal的set方法时，实际上是将object写入线程对应Values对象的过程；调用ThreadLocal的get方法时，实际上是从线程对应Values对象取object的过程。

看源码：

ThreadLocal 的成员变量set

/**

* Sets the value of this variable for the current thread. If set to

* {@code null}, the value will be set to null and the underlying entry will

* still be present.

*

* @param value thhttp://e new value of the variable for the caller thread.

*/

public void set(T value) {

Thread currentThread = Thread.currentThread();

Values values = values(currentThread);

if (values == null) {

values = initializeValues(currentThread);

}

values.put(this, value);

}

TreadLocal 的成员方法get

/**

* Returns the value of this variable for the current thread. If an entry

* doesn't yet exist for this variable on this thread, this method will

* create an entry, populating the value with the result of

* {@link #initialValue()}.

*

* @return the current value of the variable for the calling thread.

*/

@SuppressWarnings("unchecked")

public T get() {

// Optimized for the fast path.

Thread currentThread = Thread.currentThread();

Values values = values(currentThread);

if (values != null) {

Object[] table = values.table;

int index = hash & values.mask;

if (this.reference == table[index]) {

return (T) table[index + 1];

}

} else {

values = initializeValues(currentThread);

}

return (T) values.getAfterMiss(this);

}

ThreadLocal的成员方法initializeValues

/**

* Creates Values instance for this thread and variable type.

*/

Values initializeValues(Thread current) {

return current.localValues = new Values();

}

ThreadLocal 的成员方法values

/**

* Gets Values instance for this thread and variable type.

*/

Values values(Thread current) {

return current.localValues;

}

那这个Values又是怎样读写Object那？

Values是作为ThreadLocal的内部类存在的；这个Values里包括了一个重要数组Object[]，这个数据就是解答问题的关键部分，它是用来存储线程本地各种类型TreadLocal变量用的；那么问题来了，具体取某个类型的变量时是怎么保证不取到其他类型的值那？按一般的做法会用一个Map根据key-value映射一下的；对的，思路就是这个思路，但是这里并没有用Map来实现，是用一个Object[]实现的Map机制；但是，若要用Map理解的话，也是不可以的，因为机制是相同的；key其实上对应ThreadLocal的弱引用，value就对应我们传进去的Object。

解释下是怎么用Object[]实现Map机制的（参考图1）；它是用数组下标的奇偶来区分key和value的，就是下表是偶数的位置存储key，奇数存储value，就是这样搞得；感兴趣的同学如果想知道算法实现的话，可以深入研究一下，这里我不在详述了。

结合前面第一个实例分析下存储情况：

当程序执行时存在A，B和main三个线程，分别在线程中调用name.set()时同时针对三个线程实例在堆区分配了三块相同的内存空间来存储Values对象，以name引用作为key，具体的object作为值存进三个不同的Object[]（参看下图）：

四、 总结

ThreadLocal 不能完全解决多线程编程时的并发问题，这种问题还要根据不同的情况选择不同的解决方案，“空间换时间”还是“时间换空间”。

ThreadLocal最大的作用就是把线程共享变量转换成线程本地变量，实现线程之间的隔离。

以上就是本文关于快速了解Java中ThreadLocal的全部内容，希望对大家有所帮助。如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持。

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