ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本

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前言

ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本,所以每个线程可以访问自己内部的副本变量,不同线程之间不会互相干扰。本文会基于实际场景介绍ThreadLocal如何使用以及内部实现机制。

应用场景

最近的一个web项目中,由于Parameter对象的数据需要在多个模块中使用,如果采用参数传递的方式,显然会增加模块之间的耦合性。先看看用ThreadLocal是如何实现模块间共享数据的。

class Parameter { private static ThreadLocal<Parameter> _parameter= new ThreadLocal<>(); public static Parameter init() { _parameter.set(new Parameter; } public static Parameter get() { _parameter.get(); } ...省略变量声明}
  1. 在模块A中通过Parameter.init初始化。
  2. 在模块B或模块C中通过Parameter.get方法可以获得同一线程中模块A已经初始化的Parameter对象。

那么,在什么场景下比较适合使用ThreadLocal?stackoverflow上有人给出了还不错的回答。When and how should I use a ThreadLocal variable?One possible (and common) use is when you have some object that is not thread-safe, but you want to avoid synchronizing access to that object (I'm looking at you, SimpleDateFormat). Instead, give each thread its own instance of the object.

实现原理

从线程Thread的角度来看,每个线程内部都会持有一个对ThreadLocalMap实例的引用,ThreadLocalMap实例相当于线程的局部变量空间,存储着线程各自的数据,具体如下:

图片 1ThreadLocal.png

Entry继承自WeakReference类,是存储线程私有变量的数据结构。ThreadLocal实例作为引用,意味着如果ThreadLocal实例为null,就可以从table中删除对应的Entry。

class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { Object value; Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super; value = v; }}

内部使用table数组存储Entry,默认大小INITIAL_CAPACITY,先介绍几个参数:

  • size:table中元素的数量。
  • threshold:table大小的2/3,当size >= threshold时,遍历table并删除key为null的元素,如果删除后size >= threshold*3/4时,需要对table进行扩容。

ThreadLocal.set() 实现

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

从上面代码中看出来:

  1. 从当前线程Thread中获取ThreadLocalMap实例。
  2. ThreadLocal实例和value封装成Entry。

接下去看看Entry存入table数组如何实现的:

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; int i = key.threadLocalHashCode & ; for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex { ThreadLocal<?> k = e.get(); if  { e.value = value; return; } if (k == null) { replaceStaleEntry(key, value, i); return; } } tab[i] = new Entry(key, value); int sz = ++size; if (!cleanSomeSlots && sz >= threshold) rehash();}
  1. 通过ThreadLocal的nextHashCode方法生成hash值。
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();private static int nextHashCode() { return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);}

从nextHashCode方法可以看出,ThreadLocal每实例化一次,其hash值就原子增加HASH_INCREMENT。

  1. 通过 hash & 定位到table的位置i,假设table中i位置的元素为f。
  2. 如果f != null,假设f中的引用为k:
  • 如果k和当前ThreadLocal实例一致,则修改value值,返回。
  • 如果k为null,说明这个f已经是stale(陈旧的)的元素。调用replaceStaleEntry方法删除table中所有陈旧的元素(即entry的引用为null)并插入新元素,返回。
  • 否则通过nextIndex方法找到下一个元素f,继续进行步骤3。
  1. 如果f == null,则把Entry加入到table的i位置中。
  2. 通过cleanSomeSlots删除陈旧的元素,如果table中没有元素删除,需判断当前情况下是否要进行扩容。

table扩容

如果table中的元素数量达到阈值threshold的3/4,会进行扩容操作,过程很简单:

private void resize() { Entry[] oldTab = table; int oldLen = oldTab.length; int newLen = oldLen * 2; Entry[] newTab = new Entry[newLen]; int count = 0; for (int j = 0; j < oldLen; ++j) { Entry e = oldTab[j]; if (e != null) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == null) { e.value = null; // Help the GC } else { int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1); while (newTab[h] != null) h = nextIndex(h, newLen); newTab[h] = e; count++; } } } setThreshold; size = count; table = newTab;} 
  1. 新建新的数组newTab,大小为原来的2倍。
  2. 复制table的元素到newTab,忽略陈旧的元素,假设table中的元素e需要复制到newTab的i位置,如果i位置存在元素,则找下一个空位置进行插入。

ThreadLocal.get() 实现

public T get() { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap; if (map != null) { ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry; if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = e.value; return result; } } return setInitialValue();}private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); Entry e = table[i]; if (e != null && e.get return e; else return getEntryAfterMiss(key, i, e);}

获取当前的线程的threadLocals。

  1. 如果threadLocals不为null,则通过ThreadLocalMap.getEntry方法找到对应的entry,如果其引用和当前key一致,则直接返回,否则在table剩下的元素中继续匹配。
  2. 如果threadLocals为null,则通过setInitialValue方法初始化,并返回。
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; while (e != null) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if  return e; if (k == null) expungeStaleEntry; else i = nextIndex; e = tab[i]; } return null;}

总结

希望通过本文的介绍,大家可以对ThreadLocal有一个更加直观清晰的认识,而不是只见叶子,不见森林。

END。我是占小狼。在魔都艰苦奋斗,白天是上班族,晚上是知识服务工作者。读完我的文章有收获,记得关注和点赞哦,如果非要打赏,我也是不会拒绝的啦!

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