java多线程中线程封闭详解

线程封闭的概念

访问共享变量时,通常要使用同步,所以避免使用同步的方法就是减少共享数据的使用,这种技术就是线程封闭。

实现线程封闭的方法

1:ad-hoc线程封闭

这是完全靠实现者控制的线程封闭,他的线程封闭完全靠实现者实现。也是最糟糕的一种线程封闭。所以我们直接把他忽略掉吧。

2:栈封闭

栈封闭是我们编程当中遇到的最多的线程封闭。什么是栈封闭呢?简单的说就是局部变量。多个线程访问一个方法,此方法中的局部变量都会被拷贝一分儿到线程栈中。所以局部变量是不被多个线程所共享的,也就不会出现并发问题。所以能用局部变量就别用全局的变量,全局变量容易引起并发问题。

3:ThreadLocal封闭

使用ThreadLocal是实现线程封闭的最好方法,有兴趣的朋友可以研究一下ThreadLocal的源码,其实我们可以理解ThreadLocal内部维护了一个Map,Map的key是每个线程的名称,而Map的值就是我们要封闭的对象。每个线程中的对象都对应着Map中一个值,也就是ThreadLocal利用Map实现了对象的线程封闭。

线程封闭详解

线程封闭:当访问共享的可变数据时,通常需要同步。一种避免同步的方式就是不共享数据。如果仅在单线程内访问数据,就不需要同步,这种技术称为线程封闭(thread confinement)

线程封闭技术一个常见的应用就是JDBC的Connection对象,JDBC规范并没有要求Connection对象必须是线程安全的,在服务器应用程序中,线程从连接池获取一个Connection对象,使用完之后将对象返还给连接池。下面介绍几种线程封闭技术:

1、Ad-hoc线程封闭

Ad-hoc线程封闭是指,维护线程的封闭性的职责完全由程序实现承担,是非常脆弱的,因此在程序中尽量少使用,一般使用更强的线程封闭技术,比如栈封闭或者ThreadLocal类。

2、栈封闭  

栈封闭是线程封闭的一种特列,在栈封闭中,只能通过局部变量才能访问对象。局部变量的固有属性之一就是封闭在执行栈中,其他线程无法访问这个栈,栈封闭也称为线程内部使用或者线程局部使用。简单的说就是局部变量。多个线程访问一个方法,此方法中的局部变量都会被拷贝一分儿到线程栈中。所以局部变量是不被多个线程所共享的,也就不会出现并发问题。所以能用局部变量就别用全局的变量,全局变量容易引起并发问题。

比如下面的例子:

public int loadTheArk(Collection<Animal> candidates) {
    SortedSet<Animal> animals;
    int numPairs = 0;
    Animal candidate = null; 

    //animals被封装在方法中,不要使它们溢出
    animals = new TreeSet<Animal>(new SpeciesGenderComparator());
    animals.addAll(candidates);
    for(Animal a:animals){
      if(candidate==null || !candidate.isPotentialMate(a)){
        candidate = a;
      }else{
        ark.load(new AnimalPair(candidate,a));
        ++numPairs;
        candidate = null;
      }
    }
    return numPairs;
}

在loadTheArk中实例化一个TreeSet对象,并将该对象的一个引用保存到animals中。此时,只有一个引用指向集合animals,这个引用被封闭到局部变量中,因此也被封闭到局部变量中。然而,如果发布了对集合animals(或者该对象中的任何内部数据)的引用,那么封闭性将被破坏,并导致对象animals的逸出。

3、ThreadLocal类

维持线程封闭性的一种更加规范方法是使用ThreadLocal类,这个类能使线程中某个值与保存值的对象关联起来。ThreadLocal类提供了get和set等访问接口或者方法,这些方法为每个使用该变量的线程都存在一份独立的副本,因此get总是放回当前执行线程在调用set设置的最新值。看一下下面代码例子:

public class ConnectionManager {
  private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
    public Connection initialValue() {
      Connection conn = null;
      try {
        conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username", "password");
      } catch (SQLException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      return conn;
    }
  }; 

  public static Connection getConnection() {
    return connectionHolder.get();
  } 

  public static void setConnection(Connection conn) {
    connectionHolder.set(conn);
  }
}

通过调用ConnectionManager.getConnection()方法,每个线程获取到的,都是自己独立拥有的一个的Connection对象副本,第一次获取时,是通过initialValue()方法的返回值来设置值的。通过ConnectionManager.setConnection(Connection conn)方法设置的Connection对象,也只会和当前线程绑定。这样就实现了Connection对象在多个线程中的完全隔离。在Spring容器中管理多线程环境下的Connection对象时,采用的思路和以上代码非常相似。

每个线程是怎么和Connection对象副本绑定的?这个对象副本保存在哪里。当某个线程初次调用ThreadLocal类的get方法时,就会调用initialValue来获取初始值,从概念上看,我们可以将ThreadLocal<T>视为包含了Map<thread, T>对象,其中保存了特定于该线程的值,但是ThreadLocal的实现并非如此,这样只是为了我们方便理解而已。

下面我们来分析一下ThreadLocal类的源码。ThreadLocal类的方法很简单,只有四个,分别为set,get,remove, initialValue,从字面上我们也能理解这些方法的作用。

public T get():返回当前线程所对应的局部变量。

public void set(T arg0):设置当前线程局部变量的值。  

public void remove():将当前线程局部变量的值删除,目的是为了减少内存的占用,该方法是JDK 5.0新增的方法。注意,当线程结束后,对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收,所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作,但它可以加快内存回收的速度。

protected T initialValue(): 对当线程局部变量进行初始化,并返回该初始值。是protected 属性,显然是让子类进行对其覆盖重写的,只有第一次调用set和get方法时才调用。  

下面我们对这四个方法的源码进行分析,看看ThreadLocal类是如何实现这种“为每个线程提供不同的变量拷贝”。

3.1 set方法

以下是set方法的源码

public void set(T arg0) {
    Thread arg1 = Thread.currentThread();
    ThreadLocal.ThreadLocalMap arg2 = this.getMap(arg1);
    if (arg2 != null) {
      arg2.set(this, arg0);
    } else {
      this.createMap(arg1, arg0);
    }

  }

从set方法中可以看到,首先获取当前线程:Thread arg1 = Thread.currentThread();

再获取当前线程的ThreadLocalMap:ThreadLocal.ThreadLocalMap arg2 = this.getMap(arg1);

判断ThreadLocalMap是否为空,不为空,则以键值对的形式设置值,key为this,value就是局部变量的副本,this是当前线程持有的ThreadLocal类实例化对象。

假如为空,则通过createMap方法创建。

我们看下getMap和createMap方法的源码:

ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread arg0) {
    return arg0.threadLocals;
}

void createMap(Thread arg0, T arg1) {
    arg0.threadLocals = new ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, arg1);

}

从代码上已经写的非常清楚,每个线程都有自己的局部变量的副本,该副本是存在ThreadLocalMap 中,其中键值就是ThreadLocal类实例化对象。也就是说每个线程都拥有自己的ThreadLocalMap,ThreadLocalMap保存的就是局部变量副本。我们看一下java.lang.Thread源码。

private static int threadInitNumber;
ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

3.2 get方法

public T get() {
    Thread arg0 = Thread.currentThread();
    ThreadLocal.ThreadLocalMap arg1 = this.getMap(arg0);
    if (arg1 != null) {
      ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry arg2 = arg1.getEntry(this);
      if (arg2 != null) {
        Object arg3 = arg2.value;
        return arg3;
      }
    }

    return this.setInitialValue();
}

从代码上看,前两步和set方法是一个样的,分别获取当前线程和当前线程的ThreadLocalMap,第三步判断ThreadLocalMap是否为空,不为空根据this键值获取value,为空调用setInitialValue()方法。

以下是setInitialValue方法代码:

private T setInitialValue() {
    Object arg0 = this.initialValue();
    Thread arg1 = Thread.currentThread();
    ThreadLocal.ThreadLocalMap arg2 = this.getMap(arg1);
    if (arg2 != null) {
      arg2.set(this, arg0);
    } else {
      this.createMap(arg1, arg0);
    }

    return arg0;
}

在setInitialValue里调用了initialValue()方法,也就是子类要重写覆盖的方法,对应上面的例子的代码是:

protected Connection initialValue() {
      Connection conn = null;
      try {
        conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "username", "password");
      } catch (SQLException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      return conn;
}

然后获取当前线程和当前线程的ThreadLocalMap,ThreadLocalMap为空则调用createMap,否则调用set方法。

3.3 总结

ThreadLocalMap对象是以this指向的ThreadLocal对象为键进行查找的,这当然和前面set()方法的代码是相呼应的。

进一步地,我们可以创建不同的ThreadLocal实例来实现多个变量在不同线程间的访问隔离,为什么可以这么做?因为不同的ThreadLocal对象作为不同键,当然也可以在线程的ThreadLocalMap对象中设置不同的值了。通过ThreadLocal对象,在多线程中共享一个值和多个值的区别,就像你在一个HashMap对象中存储一个键值对和多个键值对一样,仅此而已。

也就说,每个线程都有一个ThreadLocalMap,该线程访问到某个局部变量,且该局部变量是用ThreadLocal类进行声明时,该线程就会new ThreadLocal(),然后将该ThreadLocal类的对象作为key值,所对应的局部变量作为value值保存到ThreadLocalMap中。当线程访问多个ThreadLocal类进行声明局部变量时,在ThreadLocalMap中就有多个键值对。而每个线程都有自己的ThreadLocalMap,从而达到隔离的目的了。

当某个线程终止后,该线程里的ThreadLocalMap也被回收了,所以完全不用担心内存泄漏的问题。

假如多线程访问的对象实例是单例的,或者说只能创建一个,那就老老实实的使用同步机制(synchronized)了.

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