简单分析Java线程编程中ThreadLocal类的使用

一、概述
 
ThreadLocal是什么呢？其实ThreadLocal并非是一个线程的本地实现版本，它并不是一个Thread，而是threadlocalvariable(线程局部变量)。也许把它命名为ThreadLocalVar更加合适。线程局部变量(ThreadLocal)其实的功用非常简单，就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，是Java中一种较为特殊的线程绑定机制，是每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会和其它线程的副本冲突。
 
从线程的角度看，每个线程都保持一个对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收（除非存在对这些副本的其他引用）。
 
通过ThreadLocal存取的数据，总是与当前线程相关，也就是说，JVM 为每个运行的线程，绑定了私有的本地实例存取空间，从而为多线程环境常出现的并发访问问题提供了一种隔离机制。
 
ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢？其实实现的思路很简单，在ThreadLocal类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量的副本。
 
概括起来说，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，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。
 
二、API说明
 
ThreadLocal()
          创建一个线程本地变量。
 
T get()
          返回此线程局部变量的当前线程副本中的值，如果这是线程第一次调用该方法，则创建并初始化此副本。
 
protected  T initialValue()
          返回此线程局部变量的当前线程的初始值。最多在每次访问线程来获得每个线程局部变量时调用此方法一次，即线程第一次使用 get() 方法访问变量的时候。如果线程先于 get 方法调用 set(T) 方法，则不会在线程中再调用 initialValue 方法。
 
   若该实现只返回 null；如果程序员希望将线程局部变量初始化为 null 以外的某个值，则必须为 ThreadLocal 创建子类，并重写此方法。通常，将使用匿名内部类。initialValue 的典型实现将调用一个适当的构造方法，并返回新构造的对象。
 
void remove()
          移除此线程局部变量的值。这可能有助于减少线程局部变量的存储需求。如果再次访问此线程局部变量，那么在默认情况下它将拥有其 initialValue。
 
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。许多应用程序不需要这项功能，它们只依赖于 initialValue() 方法来设置线程局部变量的值。
 
在程序中一般都重写initialValue方法，以给定一个特定的初始值。

三、一.对ThreadLocal的理解

　　ThreadLocal，很多地方叫做线程本地变量，也有些地方叫做线程本地存储，其实意思差不多。可能很多朋友都知道ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，那么每个线程可以访问自己内部的副本变量。

　　这句话从字面上看起来很容易理解，但是真正理解并不是那么容易。

　　我们还是先来看一个例子：

class ConnectionManager {

  private static Connection connect = null;

  public static Connection openConnection() {
    if(connect == null){
      connect = DriverManager.getConnection();
    }
    return connect;
  }

  public static void closeConnection() {
    if(connect!=null)
      connect.close();
  }
}

　　假设有这样一个数据库链接管理类，这段代码在单线程中使用是没有任何问题的，但是如果在多线程中使用呢？很显然，在多线程中使用会存在线程安全问题：第一，这里面的2个方法都没有进行同步，很可能在openConnection方法中会多次创建connect；第二，由于connect是共享变量，那么必然在调用connect的地方需要使用到同步来保障线程安全，因为很可能一个线程在使用connect进行数据库操作，而另外一个线程调用closeConnection关闭链接。

　　所以出于线程安全的考虑，必须将这段代码的两个方法进行同步处理，并且在调用connect的地方需要进行同步处理。

　　这样将会大大影响程序执行效率，因为一个线程在使用connect进行数据库操作的时候，其他线程只有等待。

　　那么大家来仔细分析一下这个问题，这地方到底需不需要将connect变量进行共享？事实上，是不需要的。假如每个线程中都有一个connect变量，各个线程之间对connect变量的访问实际上是没有依赖关系的，即一个线程不需要关心其他线程是否对这个connect进行了修改的。

　　到这里，可能会有朋友想到，既然不需要在线程之间共享这个变量，可以直接这样处理，在每个需要使用数据库连接的方法中具体使用时才创建数据库链接，然后在方法调用完毕再释放这个连接。比如下面这样：

class ConnectionManager {

  private Connection connect = null;

  public Connection openConnection() {
    if(connect == null){
      connect = DriverManager.getConnection();
    }
    return connect;
  }

  public void closeConnection() {
    if(connect!=null)
      connect.close();
  }
}

class Dao{
  public void insert() {
    ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();
    Connection connection = connectionManager.openConnection();

    //使用connection进行操作

    connectionManager.closeConnection();
  }
}

　　这样处理确实也没有任何问题，由于每次都是在方法内部创建的连接，那么线程之间自然不存在线程安全问题。但是这样会有一个致命的影响：导致服务器压力非常大，并且严重影响程序执行性能。由于在方法中需要频繁地开启和关闭数据库连接，这样不尽严重影响程序执行效率，还可能导致服务器压力巨大。

　　那么这种情况下使用ThreadLocal是再适合不过的了，因为ThreadLocal在每个线程中对该变量会创建一个副本，即每个线程内部都会有一个该变量，且在线程内部任何地方都可以使用，线程之间互不影响，这样一来就不存在线程安全问题，也不会严重影响程序执行性能。

　　但是要注意，虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题，但是由于在每个线程中都创建了副本，所以要考虑它对资源的消耗，比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

四、实例

创建一个Bean，通过不同的线程对象设置Bean属性，保证各个线程Bean对象的独立性。

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: leizhimin
 * Date: 2007-11-23
 * Time: 10:45:02
 * 学生
 */
public class Student {
  private int age = 0;  //年龄

  public int getAge() {
    return this.age;
  }

  public void setAge(int age) {
    this.age = age;
  }
}

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: leizhimin
 * Date: 2007-11-23
 * Time: 10:53:33
 * 多线程下测试程序
 */
public class ThreadLocalDemo implements Runnable {
  //创建线程局部变量studentLocal，在后面你会发现用来保存Student对象
  private final static ThreadLocal studentLocal = new ThreadLocal();

  public static void main(String[] agrs) {
    ThreadLocalDemo td = new ThreadLocalDemo();
    Thread t1 = new Thread(td, "a");
    Thread t2 = new Thread(td, "b");
    t1.start();
    t2.start();
  }

  public void run() {
    accessStudent();
  }

  /**
   * 示例业务方法，用来测试
   */
  public void accessStudent() {
    //获取当前线程的名字
    String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
    System.out.println(currentThreadName + " is running!");
    //产生一个随机数并打印
    Random random = new Random();
    int age = random.nextInt(100);
    System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age);
    //获取一个Student对象，并将随机数年龄插入到对象属性中
    Student student = getStudent();
    student.setAge(age);
    System.out.println("thread " + currentThreadName + " first read age is:" + student.getAge());
    try {
      Thread.sleep(500);
    }
    catch (InterruptedException ex) {
      ex.printStackTrace();
    }
    System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge());
  }

  protected Student getStudent() {
    //获取本地线程变量并强制转换为Student类型
    Student student = (Student) studentLocal.get();
    //线程首次执行此方法的时候，studentLocal.get()肯定为null
    if (student == null) {
      //创建一个Student对象，并保存到本地线程变量studentLocal中
      student = new Student();
      studentLocal.set(student);
    }
    return student;
  }
}

运行结果：

a is running!
thread a set age to:76
b is running!
thread b set age to:27
thread a first read age is:76
thread b first read age is:27
thread a second read age is:76
thread b second read age is:27

可以看到a、b两个线程age在不同时刻打印的值是完全相同的。这个程序通过妙用ThreadLocal，既实现多线程并发，游兼顾数据的安全性。

五、ThreadLocal使用的一般步骤
 
1、在多线程的类（如ThreadDemo类）中，创建一个ThreadLocal对象threadXxx，用来保存线程间需要隔离处理的对象xxx。
2、在ThreadDemo类中，创建一个获取要隔离访问的数据的方法getXxx()，在方法中判断，若ThreadLocal对象为null时候，应该new()一个隔离访问类型的对象，并强制转换为要应用的类型。
3、在ThreadDemo类的run()方法中，通过getXxx()方法获取要操作的数据，这样可以保证每个线程对应一个数据对象，在任何时刻都操作的是这个对象。