解决多线程间共享变量线程安全问题的大杀器——ThreadLocal(上)

简介: 解决多线程间共享变量线程安全问题的大杀器——ThreadLocal

上一期,讲到了关于线程死锁、用户进程、用户线程的相关知识,不记得的小伙伴可以看看:字节跳动面试官问我:你知道线程死锁吗?用户线程、守护线程的概念与区别了解吗?

这期,我们来聊一聊一个在Java并发编程中很重要的类:ThreadLocal 在多线程应用程序中,对共享变量进行读写的场景是很常见的。如果不使用一定的技术或方案,会引发各种线程安全的问题。常见解决线程安全的方式有synchronized、volatile等方式,但synchronized对性能的开销大,volatile不能保证原子性,所以这里介绍一个 解决多线程间共享变量的线程安全问题 的方法——ThreadLocal


一、ThreadLocal的作用

多线程访问同一个共享变量时特别容易出现并发问题,特别是在多个线程需要对共享变量进行写入时。为了保证线程安全,一般使用者在访问共享变量时需要进行适当的同步,如图 1-3 所示


20201102171056330.png

同步的措施一般是加锁,但加锁会在一定程度上增加系统的复杂度以及影响系统的性能。


为了解决多线程间共享变量的线程安全,ThreadLocal应运而生。


当创建一个ThreadLocal变量时,访问这个变量的每个线程都有这个变量的一个本地副本,当多个线程操作这个变量时,实际上就是操作自己本地内存里面的变量,从而避免了线程安全问题。图 1-3 就变成了 图1-4 如图:


20201102171154422.png


二、Threadlocal的使用示例

讲完了理论的东西,我们来通过下面的例子体会下ThreadLocal的神奇之处吧

public class ThreadLocalTest {
    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set("本地变量1");
            print("thread1");
            System.out.println("线程1的本地变量的值为:"+threadLocal.get());
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set("本地变量2");
            print("thread2");
            System.out.println("线程2的本地变量的值为:"+threadLocal.get());
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
    public static void print(String s){
        System.out.println(s+":"+threadLocal.get());
    }
}

执行结果如下:

20201102171628191.png

20201102162811933.png

上述代码中,有一个 threadLocal 变量,类型为ThreadLocal ,然后创建了 thread1 和 thread2 ,并分别在两个线程中调用了 threadLocal.set(String str) 方法,然后用 threadLocal.get() 方法去获取threadLocal变量的值。显然,由输出结果可以知道,线程 thread1 中获取到的值就是它给threadLocal设置的值,即为本地变量1;线程 thread2 中获取到的值就是它给threadLocal设置的值,即为本地变量2。这两个线程是访问不到另外一个线程中的threadLocal的值的。


应用讲完了,现在着重来看一下ThreadLocal的实现原理(大厂面试必问~)


1、ThreadLocal 的 set、get方法

首先看下ThreadLocal 相关类的类图结构:

再看一下Thraed里面的成员变量


20201102164604870.png

我们可以发现Thread类中有两个类型为ThreadLocalMap的变量,ThreadLoaclMap是一个定制化的HashMap。

在默认情况下,每个线程中的这两个变量都为null:

 ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
 ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

只有当线程第一次调用ThreadLocal的set方法或get方法时才会创建它们。

 public void set(T value) {
//(1)获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
//(2)将当前线程作为key,去查找对应的线程变量,找到则设置。
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
//(3)第一次调用set方法时,就创建当前线程对应的HashMap。
            createMap(t, value);
  }

(1)处代码首先获取调用set方法的线程,然后使用当前线程作为参数调用getMap(t) 方法,getMap(Thread t) 方法如下:


  ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

可以看到,getMap(t) 的作用是获取线程自己的变量 threadLocals ,其类型是ThreadLocalMap。


如果getMap(t)的返回值非空,则把value值存放到threadLocals中,即把当前变量值存放入当前线程的成员变量threadLocals中。


threadLocals是一个HashMap结构,其中key就是当前ThreadLocal的实例对象引用,value是通过set方法传递的值。

  void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

如果getMap(t)返回的是null,则说明是第一次调 set 方法,这时创建 当前线程的threadLocals 变量。 下面来看 createMap(t, value) 干了啥:

  void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

即创建了一个ThreadLocalMap对象,并将当前线程的threadLocals引用执行它。

再来看看get()方法的代码实现

  public T get() {
    //(4)获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //(5)获取当前线程的threadLocals变量
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //(6)如果threadLocals不为null,则返回对应的本地变量的值
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        //(7)threadLocals为空时,则初始化当前线程的threadLocals成员变量
        return setInitialValue();
    }

4)处的代码首先获取当前线程实例,如果当前线程的threadLocals不为null,则直接返回当前线程绑定的本地变量;否则执行(7)处代码进行初始化。setInitialValue() 方法如下:

  private T setInitialValue() {
    //(8)初始化为null
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //(9)如果当前线程的threadLocals变量不为空
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
        //(10)为空则创建一个ThreadLocalMap对象,并将当前线程的threadLocals引用执行它。
            createMap(t, value);
        return value;
    }

如果当前线程的threadLocals变量不为空,则设置当前线程的本地变量值为null;否则调用createMap方法创建ThreadLocalMap对象,并将当前线程的threadLocals引用执行它。


总结下:在每个线程里都有 threadLocals 的成员变量,该变量的类型为ThreadLocalMap(实际上可以理解为定制的HashMap),其中key为我们所定义的ThreadLocal变量的this引用,value则为set方法传递的值。每个线程的本地变量存放在线程自己的成员变量threadLocals中,如果当前线程一直不消亡,那么这些本地变量会一直存在,故可能会造成内存溢出,故使用完毕后需要使用 remove() 方法删除threadLocals中的本地变量。

20201104165915775.png


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