ThreadLocal原理讲解

ThreadLocal原理讲解

ThreadLocal 是 Java 中的一个类，它提供了线程局部变量的功能。如果你创建一个 ThreadLocal 变量，每个访问该变量的线程都会得到该变量的一个独立副本，这样每个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其他线程中的副本。

线程局部变量的功能

好的，让我们用一个小故事来形象地解释一下ThreadLocal，也就是线程局部变量的功能。

想象我们现在在一个大型的办公室里，这个办公室里有很多工作站，每个工作站都有自己的抽屉。这些工作站就好比是计算机中的线程，而抽屉就好像是ThreadLocal提供的线程局部变量。

现在，假设每个员工（线程）每天上班来到办公室（程序）后，都需要一个安全的地方来存放他们的个人物品，比如钥匙、手机或者是午餐。如果我们没有ThreadLocal这样的机制，那么所有员工可能就需要使用一个公共的储物柜。这样一来，每当任何一个员工想要取用自己的物品时，他们都必须排队等待，因为同一时间只有一个人能够使用这个储物柜。这会造成很大的混乱和效率低下，因为员工们需要消耗大量的时间等待，而不是做自己的工作。

现在，引入了ThreadLocal，也就是给每个工作站（线程）都配备了一个私人抽屉（线程局部变量）。员工们现在可以轻松地存取自己的个人物品，而不会受到其他人的干扰。每个员工都有自己独立的空间，他们不需要等待，也不用担心自己的物品会被别人误用。这样，每个人都可以更加专注于自己的工作，提高整个办公室的效率。

在编程的世界里，ThreadLocal的作用就是这样的。它为每个线程提供了一个独立的变量副本，每个线程可以独立地修改自己的副本而不会影响到其他线程。这在处理一些线程安全的操作时非常有用，比如日期格式化或者数据库连接等，这些操作往往不是线程安全的，或者它们的状态不应该被多个线程共享。

ThreadLocal 的原理：

1. 存储结构：ThreadLocal 类内部使用一个 Map 来存储每个线程的局部变量。在 Java 中，这个 Map 被封装在 Thread 类的 ThreadLocal.ThreadLocalMap 属性中。
   
2. 键的唯一性：Map 中的键是对 ThreadLocal 对象的引用，这确保了每个线程可以关联到它自己的、独立的变量副本。
   
3. 值的隔离：当线程首次通过 ThreadLocal 访问变量时，ThreadLocal 会为这个线程在 Map 中创建一个副本。以后，该线程对 ThreadLocal 变量的所有访问都将直接映射到这个副本。
   
4. 线程封闭：由于每个线程都有自己的变量副本，这就实现了线程封闭，避免了并发问题和线程间的数据共享。
   

设计一个ThreadLocal时，我们的目标是避免使用显式的锁机制，因为ThreadLocal的主要优势之一就是消除了线程间的竞争。在Java中，ThreadLocal通常是通过使用内部的ThreadLocalMap来实现的，这是一个与线程相关联的映射，其中键是ThreadLocal对象本身，而值是线程特定的数据。

在Java中，ThreadLocal的实现通常不需要显式的锁，因为每个线程都有自己的ThreadLocalMap，这样就避免了多线程竞争。但为了说明如何设计，下面是一个简化的ThreadLocal实现的伪代码，包括对映射的访问如何被同步：

public class ThreadLocal<T> {
    private Map<Thread, T> threadMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
    public T get() {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        return threadMap.get(currentThread);
    }
    public void set(T value) {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        threadMap.put(currentThread, value);
    }
    public void remove() {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        threadMap.remove(currentThread);
    }
}

在这个简化的版本中，我们使用了Collections.synchronizedMap来包装HashMap，从而提供一个线程安全的映射。这意味着每个对映射的访问（get、set、remove方法）都是同步的，因此不需要显式的锁对象。然而，这种做法并不是Java中ThreadLocal的典型实现方式，因为它引入了不必要的同步开销。

在实际的Java实现中，每个线程都有自己的ThreadLocalMap，这个映射是在线程对象内部维护的。这样，每个线程只能访问自己的ThreadLocalMap，因此不需要额外的同步。下面是一个更接近Java实际实现的伪代码：

public class ThreadLocal<T> {
    public T get() {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = currentThread.getThreadLocalMap();
        return (T) map.get(this);
    }
    public void set(T value) {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = currentThread.getThreadLocalMap();
        map.set(this, value);
    }
    public void remove() {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = currentThread.getThreadLocalMap();
        map.remove(this);
    }
    static class ThreadLocalMap {
        private Map<ThreadLocal<?>, Object> map = new HashMap<>();
        public Object get(ThreadLocal<?> key) {
            return map.get(key);
        }
        public void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
            map.put(key, value);
        }
        public void remove(ThreadLocal<?> key) {
            map.remove(key);
        }
    }
}