深刻理解线程局部变量：ThreadLocal
咱们知道Spring经过各类模板类下降了开发者使用各类数据持久技术的难度。这些模板类都是线程安全的，也就是说，多个DAO能够复用同一个模板实例而不会发生冲突。咱们使用模板类访问底层数据，根据持久化技术的不一样，模板类须要绑定数据链接或会话的资源。但这些资源自己是非线程安全的，也就是说它们不能在同一时刻被多个线程共享。虽然模板类经过资源池获取数据链接或会话，但资源池自己解决的是数据链接或会话的缓存问题，并不是数据链接或会话的线程安全问题。
按照传统经验，若是某个对象是非线程安全的，在多线程环境下，对对象的访问必须采用synchronized进行线程同步。但模板类并未采用线程同步机制，由于线程同步会下降并发性，影响系统性能。此外，经过代码同步解决线程安全的挑战性很大，可能会加强好几倍的实现难度。那么模板类究竟仰仗何种魔法神功，能够在无须线程同步的状况下就化解线程安全的难题呢？答案就是ThreadLocal！
ThreadLocal在Spring中发挥着重要的做用，在管理request做用域的Bean、事务管理、任务调度、AOP等模块都出现了它们的身影，起着举足轻重的做用。要想了解Spring事务管理的底层技术，ThreadLocal是必须攻克的山头堡垒。
java
1 ThreadLocal概述
早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类能够很简洁地编写出优美的多线程程序。
ThreadLocal，顾名思义，它不是一个线程，而是线程的一个本地化对象。当工做于多线程中的对象使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每一个使用该变量的线程分配一个独立的变量副本。因此每个线程均可以独立地改变本身的副本，而不会影响其余线程所对应的副本。从线程的角度看，这个变量就像是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。
线程局部变量并非Java的新发明，不少语言（如IBM XL、FORTRAN）在语法层面就提供线程局部变量。在Java中没有提供语言级支持，而以一种变通的方法，经过ThreadLocal的类提供支持。因此，在Java中编写线程局部变量的代码相对来讲要笨拙一些，这也是为何线程局部变量没有在Java开发者中获得很好普及的缘由。
sql
学习JDK中的类，首先看下JDK API对此类的描述，描述以下：编程
该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不一样于它们的普通对应物，由于访问某个变量（经过其 get 或 set 方法）的每一个线程都有本身的局部变量，它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal 实例一般是类中的 private static 字段，它们但愿将状态与某一个线程（例如，用户 ID 或事务 ID）相关联。
API表达了下面几种观点：缓存
一、ThreadLocal不是线程，是线程的一个变量，你能够先简单理解为线程类的属性变量。安全
二、ThreadLocal在类中一般定义为静态变量。多线程
三、每一个线程有本身的一个ThreadLocal，它是变量的一个“拷贝”，修改它不影响其余线程。并发
既然定义为类变量，为什么为每一个线程维护一个副本（姑且称为“拷贝”容易理解），让每一个线程独立访问？多线程编程的经验告诉咱们，对于线程共享资源（你能够理解为属性），资源是否被全部线程共享，也就是说这个资源被一个线程修改是否影响另外一个线程的运行，若是影响咱们须要使用synchronized同步，让线程顺序访问。框架
ThreadLocal适用于资源共享但不须要维护状态的状况，也就是一个线程对资源的修改，不影响另外一个线程的运行；这种设计是‘空间换时间’，synchronized顺序执行是‘时间换取空间’。ide
2 ThreadLocal方法及使用示例
ThreadLocal<T>类在Spring，Hibernate等框架中起到了很大的做用。为了解释ThreadLocal类的工做原理，必须同时介绍与其工做甚密的其余几个类，包括内部类ThreadLocalMap，和线程类Thread。全部方法以下图：工具
四个核心方法说明以下：
T get() 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值。
protected T initialValue() 返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。
void remove() 移除此线程局部变量当前线程的值。
void set(T value) 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。
可能有人会以为Thread与ThreadLocal有什么关系，其实真正的奥秘就在Thread类中的一行代码：
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
其中ThreadLocalMap的定义是在ThreadLocal类中，真正的引用倒是在Thread类中。那么ThreadLocalMap到底是什么呢？能够看到这个类应该是一个Map，JDK的解释是：ThreadLocalMap is a customized hash map suitable only for maintaining thread local values。
接下来的重点是ThreadLocalMap中用于存储数据的entry：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
从中咱们能够发现这个Map的key是ThreadLocal变量，value为用户的值，并非不少人认为的key是线程的名字或者标识。到这里，咱们就能够理解ThreadLocal到底是如何工做的了。
1. Thread类中有一个成员变量叫作ThreadLocalMap，它是一个Map，他的Key是ThreadLocal类
2. 每一个线程拥有本身的申明为ThreadLocal类型的变量，因此这个类的名字叫ThreadLocal：线程本身的（变量）。
3. 此变量生命周期是由该线程决定的，开始于第一次初始化（get或者set方法）。
4. 由ThreadLocal的工做原理决定了：每一个线程独自拥有一个变量，并不是共享或者拷贝。
下面，咱们经过一个具体的实例了解一下ThreadLocal的具体使用方法。
package com.baobaotao.basic;
public class SequenceNumber {
//①经过匿名内部类覆盖ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>(){
public Integer initialValue(){
return 0;
}
};
//②获取下一个序列值
public int getNextNum(){
seqNum.set(seqNum.get()+1);
return seqNum.get();
}
public static void main(String[ ] args)
{
SequenceNumber sn = new SequenceNumber();
//③ 3个线程共享sn，各自产生序列号
TestClient t1 = new TestClient(sn);
TestClient t2 = new TestClient(sn);
TestClient t3 = new TestClient(sn);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
private static class TestClient extends Thread
{
private SequenceNumber sn;
public TestClient(SequenceNumber sn) {
this.sn = sn;
}
public void run()
{
//④每一个线程打出3个序列值
for (int i = 0; i < 3; i++) {
System.out.println("thread["+Thread.currentThread().getName()+
"] sn["+sn.getNextNum()+"]");
}
}
}
}
一般咱们经过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类，提供初始的变量值，如①处所示。TestClient线程产生一组序列号，在③处，咱们生成3个TestClient，它们共享同一个SequenceNumber实例。运行以上代码，在控制台上输出如下的结果：
thread[Thread-2] sn[1]
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-1] sn[1]
thread[Thread-2] sn[2]
thread[Thread-0] sn[2]
thread[Thread-1] sn[2]
thread[Thread-2] sn[3]
thread[Thread-0] sn[3]
thread[Thread-1] sn[3]
考查输出的结果信息，咱们发现每一个线程所产生的序号虽然都共享同一个Sequence Number实例，但它们并无发生相互干扰的状况，而是各自产生独立的序列号，这是由于咱们经过ThreadLocal为每个线程提供了单独的副本。
接下来分析一下ThreadLocal的源码，就更加清楚了。
3 深刻源码
ThreadLocal有一个ThreadLocalMap静态内部类，你能够简单理解为一个Map，这个Map为每一个线程复制一个变量的‘拷贝’存储其中。
当线程调用ThreadLocal.get()方法获取变量时，首先获取当前线程引用，以此为key去获取响应的ThreadLocalMap，若是此‘Map’不存在则初始化一个，不然返回其中的变量，代码以下：
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
/**
* 获得当前线程的ThreadLocalMap
*/
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
/**
* 在此线程的ThreadLocalMap中查找key为当前ThreadLocal对象的entry
*/
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null)
return (T)e.value;
}
return setInitialValue();
}
/**
* 关键方法，返回当前Thread的ThreadLocalMap
* [[[每一个Thread返回各自的ThreadLocalMap，因此各个线程中的ThreadLocal均为独立的]]]
*/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
调用get方法若是此Map不存在首先初始化，建立此map，将线程为key，初始化的vlaue存入其中，注意此处的initialValue，咱们能够覆盖此方法，在首次调用时初始化一个适当的值。
对于ThreadLocal在何处存储变量副本，咱们看getMap方法：获取的是当前线程的ThreadLocal类型的threadLocals属性。显然变量副本存储在每个线程中。
setInitialValue代码以下：
private T setInitialValue() {
/**
* 默认返回null，这个方法为protected能够继承
*/
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
/**
* 初次建立
*/
createMap(t, value);
return value;
}
/**
* 给当前thread初始ThreadlocalMap
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
set方法相对比较简单，若是理解以上俩个方法。获取当前线程的引用，从map中获取该线程对应的map，若是map存在更新缓存值，不然建立并存储，代码以下：
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
上面咱们知道变量副本存放于何处，这里咱们简单说下如何被java的垃圾收集机制收集，当咱们不在使用时调用set(null)，此时不在将引用指向该‘map’，而线程退出时会执行资源回收操做，将申请的资源进行回收，其实就是将属性的引用设置为null。这时已经不在有任何引用指向该map，故而会被垃圾收集。
咱们本身就能够实现一个简化版本的ThreadLocal，里面有一个Map，用于存储每个线程的变量副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。
public class SimpleThreadLocal {
private Map valueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
public void set(Object newValue) {
//①键为线程对象，值为本线程的变量副本
valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);
}
public Object get() {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
//②返回本线程对应的变量
Object o = valueMap.get(currentThread);
//③若是在Map中不存在，放到Map中保存起来
if (o == null && !valueMap.containsKey(currentThread)) {
o = initialValue();
valueMap.put(currentThread, o);
}
return o;
}
public void remove() {
valueMap.remove(Thread.currentThread());
}
public Object initialValue() {
return null;
}
}
虽然上述代码清单中这个ThreadLocal实现版本显得比较幼稚，但它和JDK所提供的ThreadLocal类在实现思路上是很是相近的。
经过以上的分析，咱们发现，ThreadLocal类的使用虽然是用来解决多线程的问题的，可是仍是有很明显的针对性。最明显的，ThreadLoacl变量的活动范围为某线程，而且个人理解是该线程“专有的，独自霸占”，对该变量的全部操做均有该线程完成！也就是说，ThreadLocal不是用来解决共享，竞争问题的。典型的应用莫过于Spring，Hibernate等框架中对于多线程的处理了。
下面是hibernate中典型的ThreadLocal的应用：
private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();
public static Session getSession() throws InfrastructureException {
Session s = (Session) threadSession.get();
try {
if (s == null) {
s = getSessionFactory().openSession();
threadSession.set(s);
}
} catch (HibernateException ex) {
throw new InfrastructureException(ex);
}
return s;
}
这段代码，每一个线程有本身的ThreadLocalMap，每一个ThreadLocalMap中根据须要初始加载threadSession,这样的好处就是介于singleton与prototype之间，应用singleton没法解决线程，应用prototype开销又太大，有了ThreadLocal以后就行了，对于须要线程“霸占”的变量用ThreadLocal，而该类实例的方法都可以共享。
关于内存泄漏：虽然ThreadLocalMap已经使用了weakReference，可是仍是建议可以显示的使用remove方法。
4 与Thread同步机制的比较
ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优点呢？ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。
在同步机制中，经过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序缜密地分析何时对变量进行读写，何时须要锁定某个对象，何时释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。
而ThreadLocal则从另外一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal为每个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对访问数据的冲突。由于每个线程都拥有本身的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的对象封装，在编写多线程代码时，能够把不安全的变量封装进ThreadLocal。
因为ThreadLocal中能够持有任何类型的对象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象，须要强制类型转换。但JDK 5.0经过泛型很好的解决了这个问题，在必定程度上简化ThreadLocal的使用，代码清单9-2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。
归纳起来讲，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式：访问串行化，对象共享化。而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式：访问并行化，对象独享化。前者仅提供一份变量，让不一样的线程排队访问，然后者为每个线程都提供了一份变量，所以能够同时访问而互不影响。
5 Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题
咱们知道在通常状况下，只有无状态的Bean才能够在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean均可以声明为singleton做用域。就是由于Spring对一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非线程安全的“状态性对象”采用ThreadLocal进行封装，让它们也成为线程安全的“状态性对象”，所以有状态的Bean就可以以singleton的方式在多线程中正常工做了。
通常的Web应用划分为展示层、服务层和持久层三个层次，在不一样的层中编写对应的逻辑，下层经过接口向上层开放功能调用。在通常状况下，从接收请求到返回响应所通过的全部程序调用都同属于一个线程，如图9-2所示。
这样用户就能够根据须要，将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放，在同一次请求响应的调用线程中，全部对象所访问的同一ThreadLocal变量都是当前线程所绑定的。
下面的实例可以体现Spring对有状态Bean的改造思路：
TopicDao：非线程安全
public class TopicDao {
//①一个非线程安全的变量
private Connection conn;
public void addTopic(){
//②引用非线程安全变量
Statement stat = conn.createStatement();
// …
}
}
因为①处的conn是成员变量，由于addTopic()方法是非线程安全的，必须在使用时建立一个新TopicDao实例（非singleton）。下面使用ThreadLocal对conn这个非线程安全的“状态”进行改造：
TopicDao：线程安全
import java.sql.Connection;
import java.sql.Statement;
public class TopicDao {
//①使用ThreadLocal保存Connection变量
private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();
public static Connection getConnection(){
//②若是connThreadLocal没有本线程对应的Connection建立一个新的Connection，
//并将其保存到线程本地变量中
if (connThreadLocal.get() == null) {
Connection conn = ConnectionManager.getConnection();
connThreadLocal.set(conn);
return conn;
}else{
//③直接返回线程本地变量
return connThreadLocal.get();
}
}
public void addTopic() {
//④从ThreadLocal中获取线程对应的
Statement stat = getConnection().createStatement();
}
}
不一样的线程在使用TopicDao时，先判断connThreadLocal.get()是否为null，若是为null，则说明当前线程尚未对应的Connection对象，这时建立一个Connection对象并添加到本地线程变量中；若是不为null，则说明当前的线程已经拥有了Connection对象，直接使用就能够了。这样，就保证了不一样的线程使用线程相关的Connection，而不会使用其余线程的Connection。所以，这个TopicDao就能够作到singleton共享了。
固然，这个例子自己很粗糙，将Connection的ThreadLocal直接放在Dao只能作到本Dao的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题，但没法和其余Dao共用同一个Connection，要作到同一事务多个Dao共享同一个Connection，必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。但这个实例基本上说明了Spring对有状态类线程安全化的解决思路。
参考文献：
- 1. ThreadLocal（线程局部变量）
- 2. ThreadLocal线程局部变量
- 3. 线程局部变量 threadLocal
- 4. 线程局部变量（ThreadLocal）
- 5. 深入理解线程局部变量：ThreadLocal
- 6. 深入学习线程局部变量ThreadLocal
- 7. 线程局部变量（ThreadLocal）原理分析
- 8. Java多线程探究-线程局部变量ThreadLocal
- 9. 深刻理解 ThreadLocal
- 10. 深刻理解ThreadLocal
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