1. ThreadLocal
1.1 简介
ThreadLocal是线程内部的数据存储类，通过它可以指定的线程中存储数据，数据存储以后，只有在指定线程中可以获取到存储的数据，对于其他线程来说则无法获取数据。
它能够满足以下需求:
- 同一个变量在不同的线程中需要有不同的副本
- 经常应用于static方法,无法在线程创建的时候赋值
1.2 应用场景
- 数据库连接池
- Hibernate的session
- 其他线程不安全的类在多线程中不加锁使用
1.3 应用示例
时间解析类SimpleDateFormat是线程不安全的典型例子，因为同一时刻下只能支持一个解析表达式，多线程环境下使用只有两种选择：
- 加锁访问
- 通过ThreadLocal，让线程持有一个线程私有的SimpleDateFormat对象
private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal = new ThreadLocal<>();
static String format(Date date, String pattern) {
SimpleDateFormat simpleDateFormat = threadLocal.get();
if (simpleDateFormat == null) {
simpleDateFormat = new SimpleDateFormat();
threadLocal.set(simpleDateFormat);
}
simpleDateFormat.applyPattern(pattern);
return simpleDateFormat.format(date);
}2. 设计原理
接下来我们尝试着自己设计一个方案，让线程随时随地可以拥有自己的线程私有变量。通过设计方案的演变来帮助理解JDK的方案。
线程私有变量有两个保存地方可以选择：
- 线程内部
- 外部集合
2.1 保存在线程内
2.1.1 定义
最先想到的办法，也是最直白的，是通过Map来持有多个线程私有变量。
public class ThreadLocalInside extends Thread {
WeakHashMap<Object, Object> threadLocals = new WeakHashMap<>();
}2.1.2 使用样例
自己灵活的设置key来区分不同的线程私有变量。
static String format(Date date, String pattern) {
ThreadLocalInside thread = (ThreadLocalInside) Thread.currentThread();
Class clazz = SimpleDateFormat.class;
SimpleDateFormat simpleDateFormat = (SimpleDateFormat) thread.threadLocals.get(clazz);
if (simpleDateFormat == null) {
simpleDateFormat = new SimpleDateFormat();
thread.threadLocals.put(clazz, simpleDateFormat);
}
simpleDateFormat.applyPattern(pattern);
return simpleDateFormat.format(date);
}2.1.3 优点
- 线程安全。不会有多线程访问的问题。
2.1.4 缺点
- 使用不当容易内存占用过大。私有变量存活时间与线程一样长，无法利用上垃圾收集器。
- 耦合。新增的API需要耦合在线程类中。
- 管理不方便。如果要移除某个线程私有变量在所有线程中的副本，十分困难。
2.2 保存在外部集合
2.2.1 代码实现
public class ThreadLocalOutside extends WeakHashMap<Thread, HashMap<Object, Object>> {
private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
@Override
public HashMap<Object, Object> put(Thread key, HashMap<Object, Object> value) {
lock.writeLock().lock();
try {
return super.put(key, value);
} finally {
lock.writeLock().unlock();
}
}
public HashMap<Object, Object> get(Thread key) {
lock.readLock().lock();
try {
return super.get(key);
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
}
}2.2.2 使用样例
private static final ThreadLocalOutside THREAD_LOCAL_MANAGER = new ThreadLocalOutside();
static String format(Date date, String pattern) {
Thread thread = Thread.currentThread();
HashMap<Object, Object> threadLocalVariable = THREAD_LOCAL_MANAGER.get(thread);
Class clazz = SimpleDateFormat.class;
SimpleDateFormat simpleDateFormat = (SimpleDateFormat) threadLocalVariable.get(clazz);
if (simpleDateFormat == null) {
simpleDateFormat = new SimpleDateFormat();
threadLocalVariable.put(clazz, simpleDateFormat);
}
simpleDateFormat.applyPattern(pattern);
return simpleDateFormat.format(date);
}2.2.3 优点
- 解耦。使用单独外部类来管理线程私有变量，不必加入线程api中。
- 管理方便。可以轻松移除所有线程中的某个私有变量。
2.2.4 缺点
- 性能问题。需要加锁避免线程不安全问题。
- 使用不当容易内存占用过大。私有变量存活时间与线程一样长，无法利用上垃圾收集器。
3. JDK设计，内外结合
JDK的ThreadLocal包含了上面两种设计思想，即保存在线程内，却通过外部类提供API来操作。
新引入了一个设计：使用ThreadLocal对象作为私有变量集合的Key，每一个ThreadLocal对象代表一个种类的线程私有变量。这个设计解决了线程私有变量管理的痛点：
- 当你需要有多少种线程私有变量，就创建多少个ThreadLocal对象，让线程私有变量管理起来比较方便。
- 想让某个线程私有变量在所有线程中移除时，不再引用ThreadLocal对象即可，其他交给垃圾收集器。
3.1 代码实现
为了不让读者的注意力被弱引用散列表的实现细节分散，这里使用WeakHashMap代替ThreadLocal内部的ThreadLocalMap。
3.1.1 弱引用集合
简单介绍以下这两个集合功能:
- 如果集合中的Key不再被其他对象引用，垃圾收集器会回收掉这个Key对象。
- 调用put()、get()等方法时，会顺便删除散列表里的元素，条件是Key对象已经被垃圾回收。
- 散列冲突时，WeakHashMap使用链表法，ThreadLocalMap使用开放定址法解决冲突(使用数组来节约内存)，优点是实现简单。
3.1.2 山寨版JDK实现
public class Thread2 extends Thread {
//ThreadLocal作为key，一个ThreadLocal代表一种线程私有变量
WeakHashMap<ThreadLocal2, Object> threadLocals;
}
class ThreadLocal2<T> {
//模板方法
protected T initialValue() {
return null;
}
public T get() {
Thread2 thread = (Thread2) Thread.currentThread();
WeakHashMap<ThreadLocal2, Object> threadLocalMap = thread.threadLocals;
if (threadLocalMap != null) {
Object value = threadLocalMap.get(this);
if (value != null) {
return (T) value;
}
}
T value = initialValue();
if (threadLocalMap != null) {
threadLocalMap.put(this, value);
} else {
//懒加载，大部分线程不使用threadLocal，因此能节约不少内存
thread.threadLocals = new WeakHashMap<>();
thread.threadLocals.put(this, value);
}
return value;
}
public void set(T object) {
Thread2 thread = (Thread2) Thread.currentThread();
WeakHashMap<ThreadLocal2, Object> threadLocalMap = thread.threadLocals;
if (threadLocalMap != null) {
threadLocalMap.put(this, object);
} else {
//懒加载，大部分线程不使用threadLocal，因此能节约不少内存
thread.threadLocals = new WeakHashMap<>();
thread.threadLocals.put(this, initialValue());
}
}
}3.2 使用样例
使用起来几乎和JDK实现的ThreadLocal一模一样呢
private static final ThreadLocal2<SimpleDateFormat> threadLocal = new ThreadLocal2<>() ;
static String format(Date date, String pattern) {
SimpleDateFormat simpleDateFormat = threadLocal.get();
if (simpleDateFormat == null) {
simpleDateFormat = new SimpleDateFormat();
threadLocal.set(simpleDateFormat);
}
simpleDateFormat.applyPattern(pattern);
return simpleDateFormat.format(date);
}3.3 优点
- 高性能:线程私有变量保存在线程内的集合中，不需要加锁。
- 解耦:外部对象提供API。
- 利用JDK垃圾回收机制：外部对象作为线程内散列表的Key，但是用弱引用持有Key，当外部对象不再被其他对象引用且已经被垃圾收集器回收后，会顺便删除散列表里的元素，条件是Key对象已经被垃圾回收。
- 管理方便。可以轻松移除所有线程中的某个私有变量，只需要删除对应threadLocal的引用即可。
简直是去其糟粕取其精华。
3.4 缺点
- 使用不当容易内存占用过大。私有变量存活时间与线程一样长。
原文地址：https://www.cnblogs.com/datartvinci/p/11069913.html
时间： 2024-07-31 19:21:58