一、简介
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。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。从线程的角度看，目标变量就象是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。所以，在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些，因此造成线程局部变量没有在Java开发者中得到很好的普及。人们常说，锁是一种以时间换空间的机制，而ThreadLocal正好是以空间换时间的。
二、和锁的比较
两个概念：线程安全，线程同步
事实上，ThreadLocal只解决线程安全的问题，并不能解决线程同步的问题，ThreadLocal既然为每个线程拷贝一份变量，没必要再进行同步，ThreadLocal并不是用来解决线程同步的，所以它与锁可以说是没有什么关系的。
总结：ThreadLocal解决的是同一个线程内的资源共享问题，而synchronized 解决的是多个线程间的资源共享问题。
三、ThreadLocal
ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法：
void set(T value)设置当前线程的线程局部变量的值。
public T get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
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。需要指出的是，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()返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(T value)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。
在JDK5.0中，ThreadLocal已经支持泛型，该类的类名已经变为ThreadLocal<T>。API方法也相应进行了调整，新版本的API方法分别是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。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副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。自己就可以提供一个简单的实现版本：
package com.test; public class TestNum { // ①通过匿名内部类覆盖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) { TestNum sn = new TestNum(); // 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 TestNum sn; public TestClient(TestNum sn) { this.sn = sn; } public void run() { for (int i = 0; i < 3; i++) { // ④每个线程打出3个序列值 System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName() + "] --> sn[" + sn.getNextNum() + "]"); } } } }
通常我们通过匿名内部类的方式定义ThreadLocal的子类，提供初始的变量值，如例子中①处所示。TestClient线程产生一组序列号，在③处，我们生成3个TestClient，它们共享同一个TestNum实例。运行以上代码，在控制台上输出以下的结果：
thread[Thread-0] --> sn[1] thread[Thread-1] --> sn[1] thread[Thread-2] --> sn[1] thread[Thread-1] --> sn[2] thread[Thread-0] --> sn[2] thread[Thread-1] --> sn[3] thread[Thread-2] --> sn[2] thread[Thread-0] --> sn[3] thread[Thread-2] --> sn[3]
Thread同步机制的比较
package com.test; import java.sql.Connection; import java.sql.SQLException; import java.sql.Statement; public class TestDao { private Connection conn;// ①一个非线程安全的变量 public void addTopic() throws SQLException { Statement stat = conn.createStatement();// ②引用非线程安全变量 // … } }
main方法
MyThread9 mt = new MyThread9(); Thread threadA = new Thread(mt, "票贩子A"); Thread threadB = new Thread(mt, "票贩子B"); Thread threadC = new Thread(mt, "票贩子C"); threadA.start(); threadB.start(); threadC.start();
输出
票贩子A,ticket=5
票贩子C,ticket=4
票贩子B,ticket=3
票贩子C,ticket=2
票贩子C,ticket=1
由于①处的conn是成员变量，因为addTopic()方法是非线程安全的，必须在使用时创建一个新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：代码清单4 TestDao：线程安全
package com.test; import java.sql.Connection; import java.sql.SQLException; import java.sql.Statement; public class TestDaoNew { // ①使用ThreadLocal保存Connection变量 private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>(); public static Connection getConnection() { // ②如果connThreadLocal没有本线程对应的Connection创建一个新的Connection， // 并将其保存到线程本地变量中。 if (connThreadLocal.get() == null) { Connection conn = getConnection(); connThreadLocal.set(conn); return conn; } else { return connThreadLocal.get();// ③直接返回线程本地变量 } } public void addTopic() throws SQLException { // ④从ThreadLocal中获取线程对应的Connection Statement stat = getConnection().createStatement(); } }
不同的线程在使用TopicDao时，先判断connThreadLocal.get()是否是null，如果是null，则说明当前线程还没有对应的Connection对象，这时创建一个Connection对象并添加到本地线程变量中；如果不为null，则说明当前的线程已经拥有了Connection对象，直接使用就可以了。这样，就保证了不同的线程使用线程相关的Connection，而不会使用其它线程的Connection。因此，这个TopicDao就可以做到singleton共享了。当然，这个例子本身很粗糙，将Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多个方法共享Connection时不发生线程安全问题，但无法和其它DAO共用同一个Connection，要做到同一事务多DAO共享同一Connection，必须在一个共同的外部类使用ThreadLocal保存Connection。ConnectionManager.java
package com.test; import java.sql.Connection; import java.sql.DriverManager; import java.sql.SQLException; public class ConnectionManager { private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() { @Override protected 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); } }
ThreadLocal<T>
那么到底ThreadLocal类是如何实现这种“为每个线程提供不同的变量拷贝”的呢？先来看一下ThreadLocal的set()方法的源码是如何实现的：
/** * Sets the current thread‘s copy of this thread-local variable * to the specified value. Most subclasses will have no need to * override this method, relying solely on the {@link #initialValue} * method to set the values of thread-locals. * * @param value the value to be stored in the current thread‘s copy of * this thread-local. */ public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) map.set(this, value); else createMap(t, value); }
在这个方法内部我们看到，首先通过getMap(Thread t)方法获取一个和当前线程相关的ThreadLocalMap，然后将变量的值设置到这个ThreadLocalMap对象中，当然如果获取到的ThreadLocalMap对象为空，就通过createMap方法创建。线程隔离的秘密，就在于ThreadLocalMap这个类。ThreadLocalMap是ThreadLocal类的一个静态内部类，它实现了键值对的设置和获取（对比Map对象来理解），每个线程中都有一个独立的ThreadLocalMap副本，它所存储的值，只能被当前线程读取和修改。ThreadLocal类通过操作每一个线程特有的ThreadLocalMap副本，从而实现了变量访问在不同线程中的隔离。因为每个线程的变量都是自己特有的，完全不会有并发错误。还有一点就是，ThreadLocalMap存储的键值对中的键是this对象指向的ThreadLocal对象，而值就是你所设置的对象了。为了加深理解，我们接着看上面代码中出现的getMap和createMap方法的实现：
/** * Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in * InheritableThreadLocal. * * @param t the current thread * @return the map */ ThreadLocalMap getMap(Thread t) { return t.threadLocals; } /** * Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in * InheritableThreadLocal. * * @param t the current thread * @param firstValue value for the initial entry of the map * @param map the map to store. */ void createMap(Thread t, T firstValue) { t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); }
接下来再看一下ThreadLocal类中的get()方法
/** * Returns the value in the current thread‘s copy of this * thread-local variable. If the variable has no value for the * current thread, it is first initialized to the value returned * by an invocation of the {@link #initialValue} method. * * @return the current thread‘s value of this thread-local */ public T get() { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) return (T)e.value; } return setInitialValue(); }
再来看setInitialValue()方法：
/** * Variant of set() to establish initialValue. Used instead * of set() in case user has overridden the set() method. * * @return the initial value */ 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; }
