ThreadLocal使用和原理简析

1. 解决共享资源冲突

　　对于并发工作,需要某种方式来防止两个任务同时访问相同的资源，至少在关键阶段不能出现这种冲突情况。

　　方法之一就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它，以此类推。Java中的synchronized、ReentrantLock就属于这种方式，关于这部分，前面有专门撰文详述：

　　第二种方式是根除对变量的共享。线程本地存储是一种自动化机制，可以为使用相同变量的每个不同的线程都创建不同的存储。因此，如果你有5个线程都要使用变量x所表示的对象，那线程本地存储就会生成5个用于x的不同的存储块。它使得你可以将状态与线程关联起来。创建和管理线程本地存储可以由java.lang.ThreadLocal类来实现。本文我们就来学习ThreadLocal的用法，并且从源码层面探究一下其实现原理。

　　按照官方的说法：

ThreadLocal可以让线程拥有自己独享的变量，就是说多个线程共享同一个ThreadLocal对象，但是每个线程都可以通过ThreadLocal的get方法获取或set方法设置属于该线程的变量副本，变量只属于该线程并且其他线程无关；
ThreadLocal对象一般作为类的private static属性，可以用来为线程设置一些状态信息比如userId或者transactionId；

2. ThreadLocal使用

　　到这里，如果之前没有使用过ThreadLocal，可能对于ThreadLocal的作用依然不清楚，我们通过官方的一个示例熟悉一下吧(如果之前使用过ThreadLocal的可以直接跳过此处)：

public class ThreadLocalId {
  
  private final static AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);
  
  private final static ThreadLocal<Integer> threadId = new ThreadLocal<Integer>() {
    @Override
    // 重写ThreadLocal中的方法，用于如果没有通过set设置值时，第1次通过get来获取值时会调用这个方法生成初始值，可以重写该方法来指定初始值生成规则
    protected Integer initialValue() {
      return nextId.getAndIncrement();
    }
  };
  
  public static Integer get() {
    return threadId.get();
  }
  
  public static void main(String[] args) {
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          int id = ThreadLocalId.get();
          System.out.println("thread:" + Thread.currentThread().getName() + ",threadId-->" + id);
          threadId.set(id);
          try {
            Thread.sleep(100);
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }
          System.out.println("thread:" + Thread.currentThread().getName() + ",threadId-->" + threadId.get());
        }
      }).start();
    }
  }
}

// 输出结果
thread:Thread-0,threadId-->0
thread:Thread-1,threadId-->1
thread:Thread-2,threadId-->2
thread:Thread-3,threadId-->3
thread:Thread-4,threadId-->4
thread:Thread-4,threadId-->4
thread:Thread-2,threadId-->2
thread:Thread-1,threadId-->1
thread:Thread-0,threadId-->0
thread:Thread-3,threadId-->3

　　如上，开启5个线程，每个线程都调用同一个ThreadLocal对象threadId的get方法获取一个id值作为线程标识，并通过set方法保存到ThreadLocal中，然后再通过get方法来获取，从输出结果上我们可以看，每个线程虽然都是操作的同一个ThreadLocal对象，但是它们获取到的值并没有被其它线程覆盖，都是自己set进去的值。这就是ThreadLocal的作用：提供线程本地变量，这样一来就不会受到其他线程的影响了，从而可以保证线程安全。那ThreadLocal又是如何做到的呢？我们来看一下源码：

3. 线程本地存储

　　我们先从其get()方法入手：

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
　　 // ThreadLocalMap作为Thread的一个属性
    return t.threadLocals;
}

　　get方法的主要逻辑如下：

先获取当前线程t；
然后获取ThreadLocalMap；
如果map不为空，则以当前对象(ThreadLocal对象)为key获取value；
如果map为空，则执行初始化操作；

　　在第2步中，从哪里获取map？我们可以看到是从当前线程直接获取的(ThreadLocal作为Thread类的一个属性)，也就是说这个map是属于当前线程的，而我们想要保存的值是存在这个map中的，这就是ThreadLocal的魔法所在，通过线程本地保存的方式来实现线程之间状态的互不干扰。

　　好，接下来我们看看如果是第一次调用get时ThreadLocalMap如果还没有的话是如何初始化ThreadLocalMap并生成初始值的：

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

// 通过这个方法生成初始值，可以重写该方法来指定生成初始值规则
protected T initialValue() {
    return null;
}

// new一个ThreadLocalMap
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

　　setInitialValue的主要逻辑如下：

首先通过initialValue方法生成初始值；
然后获取ThreadLocalMap；
如果map不为空，则将第1步生成的值set进去，以当前对象(ThreadLocal对象)为key；
如果map为空，则new一个ThreadLocalMap出来；
返回生成的初始值；

　　现在我们知道了ThreadLocal的get方法是从一个保存在线程本地(就是Thread.currentThread()获取到的Thread实例对象中)的一个叫threadLocals的ThreadLocalMap的数据结构中，这是一个定制化的hash类型的map，专门用于保存线程本地变量。现在我们再看一下ThreadLocal是如何保存元素的：

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

　　逻辑比较简单：

获取当前线程；
从当前线程获取ThreadLocalMap；
如果map不为空，则以当前ThreadLocal对象为key保存到ThreadLocalMap中；
如果map为空，则初始化ThreadLocalMap；

　　好了，现在我们知道ThreadLocal是通过将变量保存在线程本地来实现线程之间相互隔离的，可以结合下图一起理解。

4. 总结

Java中通过java.lang.ThreadLocal类来实现创建和管理线程本地存储；
线程本地存储是指Thread类中的threadLocals，类型为ThreadLocalMap，其类定义在ThreadLocal中；
每个线程通过同一个ThreadLocal进行set和get变量时，实际上是以这个ThreadLocal为key进行存储和获取数据，线程之间共享的是ThreadLocal这个对象，但是数据是保存在线程各自本地；

　　ThreadLocalMap是保存数据的关键，它的内部原理又是怎样的呢？ThreadLocal又存在什么问题呢？请看下文。。。