ThreadLocal类 | 并发编程

站长

2023年01月05日 12:03 · 阅读数 13

简介

了解java.lang.ThreadLocal<T>类的两种常见使用和原理，并在项目中使用ThreadLocal。

理论

ThreadLocal是Thread的局部变量，用于编多线程程序，对解决多线程程序的并发问题有一定的启示作用。

ThreadLocal_百度百科 (baidu.com)

ThreadLocal 是線程的局部變量，是每一個線程所單獨持有的，其他線程不能對其進行訪問

Java - ThreadLocal 類的使用 (kucw.github.io)

使用场景

介绍ThreadLocal使用中的两种经典场景

每个线程需要一个独享的对象：通常为工具类，如SimpleDateFormat。
每个线程内需要保存全局变量，可以在不同地方直接使用：如在拦截器中获取用户信息。

场景一

发现问题

使用SimpleDateFormat时，每个线程都new一个新的SimpleDateFormat，没有出现问题，如下。

public class Solution {
    static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int finalI = i;
            threadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(date(finalI));
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(date(10000));
            }
        }).start();
    }

    static String date(int sec) {
        Date data = new Date(1000L * sec);
        SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");//每个线程使用时都会new一个新的
        return format.format(data);
    }
}

此时我们想，每个线程都创建一个新的SimpleDateFormat对象会浪费资源，所以我们把date()方法中的SimpleDateFormat format变量拿出来写成一个静态变量，每个线程都使用这个静态的static SimpleDateFormat format，如下。

public class Solution {
    static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);

    static SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");//静态变量

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int finalI = i;
            threadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(date(finalI));
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(date(10000));
            }
        }).start();
    }

    static String date(int sec) {
        Date data = new Date(1000L * sec);
        return format.format(data);
    }
}

输出的结果中出现了相同的时间，这是有问题的，因为传入date()函数的变量一定是不一样的，如下。

1970-01-01 08:01:37
1970-01-01 08:01:34
1970-01-01 08:01:34
1970-01-01 08:01:32

结论：SimpleDateFormat是线程不安全的。

SimpleDateFormat线程安全问题-极光社区 (jiguang.cn)

解决问题

如发现问题中的第一段代码，将SimpleDateFormat format定义为局部变量（即每次都new新的），而不是静态变量。
使用synchronized加锁，但因为等待排队会出现性能问题。

static String date(int sec) {
    Date data = new Date(1000L * sec);
    String str = null;
    synchronized (Solution.class) {
        str = format.format(data);
    }
    return str;
}

利用ThreadLocal给每个线程分配自己的SimpleDateFormat对象，保证了线程安全&&高效利用内存。

static String date(int sec) {
    Date data = new Date(1000L * sec);
    //SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
    SimpleDateFormat format = ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal.get();
    return format.format(data);
}

dateFormatThreadLocal与dateFormatThreadLocal2等效。

class ThreadSafeFormatter {
    public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal
            = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
        }
    };

    public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal2
            = ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss"));
}

使用DateTimeFormatter。

场景二

发现问题

一个web server中存在一条service链：request -> service1 -> service2 -> service3 -> service4 -> ...

service1负责把用户信息userInfo从request中提取出来，之后userInfo就会从service1开始在链上传递，这样会导致代码冗余，不易维护。

补充信息

浏览器通过此连接发送HTTP请求,当请求进入Tomcat时,Tomcat会从其线程池中分配一个线程来处理请求.生成并发送响应后,线程将返回池,准备从任何客户端提供另一个请求.

Tomcat如何处理多个请求 | (1r1g.com)

我们的需求：每个线程内需要保存一个全局变量userInfo，可以在不同的地方直接使用。

解决问题

一个static变量存储信息可以么？

答：不可以。信息在同一个线程内相同，但是在不同的线程中不一定相同，即：用户信息在一次request中应该相同，但在不同request中不一定相同。

使用Map可以么？在发现问题的条件下，引入一个map，service1中将用户信息put进map，service2等后续方法可以直接从map中get到userInfo。

答：同时会有多个请求访问web server，即在多线程环境下，我们需要保证线程安全，无论是使用synchronized，还是concurrentHashMap，都会影响性能。

ThreadLocal。

public class TestThreadLocal {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                new service1().process("绫波丽");
                new service2().sayHello();
                new service3().sayGoodbye();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                new service1().process("玛奇玛");
                new service2().sayHello();
                new service3().sayGoodbye();
            }
        }).start();
    }
}

class UserContextHolder {
    public static ThreadLocal<User> threadLocal = new ThreadLocal<>();
}

class service1 {
    public void process(String name) {
        User user = new User(name);
        UserContextHolder.threadLocal.set(user);
    }
}

class service2 {
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello," + UserContextHolder.threadLocal.get().getName() + "!");
    }
}

class service3 {
    public void sayGoodbye() {
        System.out.println("Goodbye," + UserContextHolder.threadLocal.get().getName() + "!");
        UserContextHolder.threadLocal.remove();
    }
}

//User类省略

结果如下。

Hello,绫波丽!
Hello,玛奇玛!
Goodbye,绫波丽!
Goodbye,玛奇玛!

每次http请求都对应一个线程，线程之间相互隔离，这就是ThreadLocal的经典应用场景。

总结

对象生成时机由我们控制，重写initialValue()方法来保存对象。
对象生成时机不由我们控制，调用set()方法来保存对象。

好处：

线程安全
不加锁，效率高
高效利用内存：相比于每一个线程任务都新建一个SimpleDateFormat，使用ThreadLocal可以节约内存（注意线程池在此处与ThreadLocal的关联）。
解决场景二的问题

成员方法

ThreadLocal - Java 11中文版 - API参考文档 (apiref.com)

initialValue()

返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。
这是一个延时加载方法，只有在调用第一次调用get()方法时才会触发。如果不set()直接调用get()方法，get()方法会返回setInitialValue()方法，setInitialValue()方法调用initialValue()方法。
如果用了set()，就不会再调用initialValue()方法了。
通常每个线程最多调用一次此方法，但如果调用了remove()后，再get()还可以再调用此方法。
initialValue()方法默认返回null，所以如果需要使用initialValue()初始化，需要重写此方法。

成员方法setInitialValue()源码如下。

private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();//调用initialValue()
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);//调用map.set()
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

set()、get()、remove()

设置新值。
得到线程对应value。如果没有set()过，且首次调用get()，会调用initialValue()获得初始值。
删除线程对应的值。

get()方法是先取出当前线程的ThreadLocalMap map，然后调用map.getEntry()方法，把本ThreadLocal的引用作为参数传入，取出map中属于本ThreadLocal的value，源码如下。

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);//map不为空，就从map中通过键（ThreadLocal）获取键值对对象Entry
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();//map为空或者map中键对应的键值对对象为空，调用setInitialValue()
}

set()源码如下：

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);//调用map.set()
    else
        createMap(t, value);
}

场景一与场景二综合：观察到setInitialValue()（initialValue()）和set()都是利用map.set()方法来设置值，最后都对应到ThreadLocalMap map中的一个Entry e。

ThreadLocal部分源码如下。

public class ThreadLocal<T> {
	...
	static class ThreadLocalMap {
		...
		private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
			Entry[] tab = table;
			...
		}
	}
}

原理

每个Thread（线程）持有一个ThreadLocalMap成员变量，一个ThreadLocalMap中维护多个ThreadLocal。

为什么map中有多个ThreadLocal呢？

答：场景一格式化日期时使用ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal，场景二保存与使用用户信息使用ThreadLocal<User> threadLocal。如果一个线程既要格式化日期，又要保存与使用用户信息，那么这个线程的ThreadLocalMap中就有两个ThreadLocal了。

怎么理解ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals？

答：ThreadLocalMap类是每个线程Thread类里的变量，里面最重要的是一个键值对数组Entry[] table，可以认为是一个哈希表。

键：ThreadLocal引用。
值：实际需要的对象，如SimpleDateFormat对象，User对象。

ThreadLocalMap 是一个定制的哈希映射，仅适用于维护线程本地值。不导出任何操作在 ThreadLocal 类之外。

ThreadLocal.ThreadLocalMap (mpg.de)

ThreadLocalMap的冲突处理？

答：HashMap使用拉链法+红黑树解决冲突问题，而ThreadLocalMap中使用线性探测法，即如果发生冲突，就继续找下一个空着的位置。

注意

内存泄露

内存泄露：某个对象不再有用，但是它占用着的内存却不能被收回。

线程活着，线程里的ThreadLocalMap就活着，里面维护的键值对们就活着，导致无法GC。

為了解決這個問題，java 做了一個小優化，也就是存放在 ThreadLocalMap 中的 ThreadLocal，會使用 弱引用 來儲存，也就是說，如果一個 ThreadLocal 內存地址沒有外部強引用來引用他，只有這條 ThreadLocalMap 的弱引用來引用他時，那麼當系統 GC 時，這些 ThreadLocal 就會被回收（因為是弱引用），如此一來，ThreadLocalMap 中就會出現 key 為 null 的 Entry 們

這個弱引用優化只能使得 ThreadLocal 被正確回收，但是這些 key 為 null 的 Entry 們仍然會存在在 ThreadLocalMap 裡，因此 value 仍然無法被回收

所以 java 又做了一個優化，就是在 ThreadLocal 執行 get()、set()、remove() 方法時，都會將該線程 ThreadLocalMap 裡所有 key = null 的 value 也設置為 null，手動幫助 GC
ThreadLocal k = e.get();
if (k == null) {
    e.value = null; // Help the GC
} 
但是根本上的解決辦法，還是在當前線程使用完這個 ThreadLocal 時，就即時的 remove() 掉該 value，也就是使得 ThreadLocalMap 中不要存在這個鍵值對，這樣才能確保 GC 能正確回收

Java - ThreadLocal 類的使用 (kucw.github.io)

空指针异常

出现问题

public class TestNPE {
    
    public static void main(String[] args) {
        IntegerHolder integerHolder = new IntegerHolder();
        System.out.println(integerHolder.get());//注意此处之前没有set或初始化
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                integerHolder.set(Thread.currentThread().getId());
                System.out.println(integerHolder.get());//此处前有set
            }
        }).start();
    }
}

class IntegerHolder {
    public ThreadLocal<Long> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public long get() {//注意此处返回值为long而不是Long
        return threadLocal.get();
    }

    public void set(long num) {
        threadLocal.set(num);
    }
}

以上代码运行结果如下。

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
	at daijizai.IntegerHolder.get(TestNPE.java:29)
	at daijizai.TestNPE.main(TestNPE.java:14)

问题分析：出现问题的地方为之前没有初始化或set()的get()语句，因为没有初始化或set()，所以threadLocal.get()会返回一个值为null的Long，而class IntegerHolder中get()方法的返回值类型为long（注意是long而不是Long），包装类Long为null自动拆箱为基本数据类型long时，出现空指针异常。

解决问题

class IntegerHolder中get()方法的返回值类型改为Long。

修改后运行结果如下。

null
12

共享对象

如果每个线程中ThreadLocal.set()进去的东西本来就是多个线程共享的同一个对象，如static对象，此时多个线程进行ThreadLocal.get()取得到的还是这个共享对象本身，存在并发访问问题。

实战

ThreadLocal

HostHolder

@Component
public class HostHolder {
    private ThreadLocal<User> users=new ThreadLocal<>();

    public void setUser(User user){
        users.set(user);
    }

    public User getUser(){
        return users.get();
    }

    public void clear(){
        users.remove();
    }
}

LoginTicketInterceptor

@Component
public class LoginTicketInterceptor implements HandlerInterceptor {
	@Autowired
    private HostHolder hostHolder;
    
    ...
        
    @Override
    public boolean preHandle(...){
        ...
        hostHolder.setUser(user);
        ...
    }
    
    ...
    
	@Override
    public void afterCompletion(...){
        hostHolder.clear();
		...
    }
}

在任何需要user对象的地方User user = hostHolder.getUser();。

RequestContextHolder

在Web开发中，service层或者某个工具类中需要获取到HttpServletRequest对象还是比较常见的。一种方式是将HttpServletRequest作为方法的参数从controller层一直放下传递，不过这种有点费劲，且做起来不是优雅；还有另一种则是RequestContextHolder，直接在需要用的地方使用如下方式取HttpServletRequest即可

RequestContextHolder - 简书 (jianshu.com)

使用AOP统一记录日志时需要获取登录用户的IP地址，这个地址保存在request请求对象中。

省略与主题无关的代码，核心代码如下。

...
ServletRequestAttributes attributes = (ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.getRequestAttributes();
HttpServletRequest request = attributes.getRequest();
String ip = request.getRemoteHost();
...

RequestContextHolder部分源码如下。

public abstract class RequestContextHolder {
    ...
    private static final ThreadLocal<RequestAttributes> requestAttributesHolder = new NamedThreadLocal("Request attributes");
	...
	public static RequestAttributes getRequestAttributes() {
    	...
    }
    ...
}

补充信息

RequestContextHolder持有上下文的Request容器详解 - 墨天轮 (modb.pro)

SpringMVC源码分析 RequestContextHolder使用与源码分析_51CTO博客_RequestContextHolder

RequestContextHolder (Spring Framework 6.0.3 API)