解决多线程间共享变量线程安全问题的大杀器——ThreadLocal
上一期,讲到了关于线程死锁、用户进程、用户线程的相关知识,不记得的小伙伴可以看看:字节跳动面试官问我:你知道线程死锁吗?用户线程、守护线程的概念与区别了解吗?
这期,我们来聊一聊一个在Java并发编程中很重要的类:ThreadLocal 在多线程应用程序中,对共享变量进行读写的场景是很常见的。如果不使用一定的技术或方案,会引发各种线程安全的问题。常见解决线程安全的方式有synchronized、volatile等方式,但synchronized对性能的开销大,volatile不能保证原子性,所以这里介绍一个 解决多线程间共享变量的线程安全问题 的方法——ThreadLocal
一、ThreadLocal的作用
为了解决多线程间共享变量的线程安全,ThreadLocal应运而生。
二、Threadlocal的使用示例
讲完了理论的东西,我们来通过下面的例子体会下ThreadLocal的神奇之处吧
public class ThreadLocalTest {private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();public static void main(String[] args) {Thread thread1 = new Thread(() -> {threadLocal.set("本地变量1");print("thread1");System.out.println("线程1的本地变量的值为:"+threadLocal.get());});Thread thread2 = new Thread(() -> {threadLocal.set("本地变量2");print("thread2");System.out.println("线程2的本地变量的值为:"+threadLocal.get());});thread1.start();thread2.start();}public static void print(String s){System.out.println(s+":"+threadLocal.get());}
}
执行结果如下:
上述代码中,有一个 threadLocal 变量,类型为ThreadLocal ,然后创建了 thread1 和 thread2 ,并分别在两个线程中调用了 threadLocal.set(String str) 方法,然后用 threadLocal.get() 方法去获取threadLocal变量的值。显然,由输出结果可以知道,线程 thread1 中获取到的值就是它给threadLocal设置的值,即为本地变量1;线程 thread2 中获取到的值就是它给threadLocal设置的值,即为本地变量2。这两个线程是访问不到另外一个线程中的threadLocal的值的。
应用讲完了,现在着重来看一下ThreadLocal的实现原理(大厂面试必问~)
1、ThreadLocal 的 set、get方法
首先看下ThreadLocal 相关类的类图结构:
再看一下Thraed里面的成员变量
我们可以发现Thread类中有两个类型为ThreadLocalMap的变量,ThreadLoaclMap是一个定制化的HashMap。
在默认情况下,每个线程中的这两个变量都为null:
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
只有当线程第一次调用ThreadLocal的set方法或get方法时才会创建它们。
public void set(T value) {
//(1)获取当前线程Thread t = Thread.currentThread();
//(2)将当前线程作为key,去查找对应的线程变量,找到则设置。ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)map.set(this, value);else
//(3)第一次调用set方法时,就创建当前线程对应的HashMap。createMap(t, value);}
(1)处代码首先获取调用set方法的线程,然后使用当前线程作为参数调用getMap(t)
方法,getMap(Thread t)
方法如下:
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {return t.threadLocals;}
可以看到,getMap(t)
的作用是获取线程自己的变量 threadLocals ,其类型是ThreadLocalMap。
如果getMap(t)
的返回值非空,则把value值存放到threadLocals中,即把当前变量值存放入当前线程的成员变量threadLocals中。
threadLocals是一个HashMap结构,其中key就是当前ThreadLocal的实例对象引用,value是通过set方法传递的值。
void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}
如果getMap(t)
返回的是null,则说明是第一次调 set
方法,这时创建 当前线程的threadLocals 变量。 下面来看 createMap(t, value)
干了啥:
void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}
即创建了一个ThreadLocalMap对象,并将当前线程的threadLocals引用执行它。
再来看看get()方法的代码实现
public T get() {//(4)获取当前线程Thread t = Thread.currentThread();//(5)获取当前线程的threadLocals变量ThreadLocalMap map = getMap(t);//(6)如果threadLocals不为null,则返回对应的本地变量的值if (map != null) {ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T)e.value;return result;}}//(7)threadLocals为空时,则初始化当前线程的threadLocals成员变量return setInitialValue();}
(4)处的代码首先获取当前线程实例,如果当前线程的threadLocals不为null,则直接返回当前线程绑定的本地变量;否则执行(7)处代码进行初始化。setInitialValue()
方法如下:
private T setInitialValue() {//(8)初始化为nullT value = initialValue();Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);//(9)如果当前线程的threadLocals变量不为空if (map != null)map.set(this, value);else//(10)为空则创建一个ThreadLocalMap对象,并将当前线程的threadLocals引用执行它。createMap(t, value);return value;}
如果当前线程的threadLocals变量不为空,则设置当前线程的本地变量值为null;否则调用createMap方法创建ThreadLocalMap对象,并将当前线程的threadLocals引用执行它。
总结下:在每个线程里都有 threadLocals 的成员变量,该变量的类型为ThreadLocalMap(实际上可以理解为定制的HashMap),其中key为我们所定义的ThreadLocal变量的this引用,value则为set方法传递的值。每个线程的本地变量存放在线程自己的成员变量threadLocals中,如果当前线程一直不消亡,那么这些本地变量会一直存在,故可能会造成内存溢出,故使用完毕后需要使用 remove() 方法删除threadLocals中的本地变量。
2、Threadlocal 不支持继承性
首先看下下面代码:
public class TestThreadLocal {//(1)创建线程变量public static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();public static void main(String[] args) {//(2)赋值本地变量threadLocal.set("hello world");//(3)启动子线程new Thread(() -> {//(4)子线程输出线程变量的值System.out.println("thread:" + threadLocal.get());}).start();//(5)主线程输出线程变量的值System.out.println("main:" + threadLocal.get());}
}
输出结果如下:
输出结果说明:同一个 ThreadLocal 变量在父线程中被设置值后,在子线程中是获取不到的。
原因是:子线程里面调用get方法时,Thread t = Thread.currentThread()
代码是获取当前线程,当前线程是子线程,而调用set方法给threadLocal赋值的线程是main,两者是不同的线程,故子线程调用get方法取得的threadLocal值为null,main线程调用get方法取得的threadLocal值为“hello world”。
有没有方法让子线程能够访问到父线程中的值?继续往下看啦。
3、lnheritableThreadLocal 类
为了解决让子线程能够访问到父线程中的值的问题,lnheritableThreadLocal 应运而生。lnheritableThreadLocal 继承自 ThreadLocal,并提供了一个新特性:让子线程可以访问在父线程中设置的本地变量值。先来看下lnheritableThreadLocal 的实现:
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {//(1)protected T childValue(T parentValue) {return parentValue;}//(2)ThreadLocalMap getMap(Thread t) {return t.inheritableThreadLocals;}//(3)void createMap(Thread t, T firstValue) {t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);}
}
通过查看 InheritableThreadLocal 的源码可知,lnheritableThreadLocal 继承了 ThreadLocal 类并重新了 childValue、getMap、createMap方法。
由(3)处代码可知,InheritableThreadLocal 重写了 createMap
方法,那么当第一次调用 InheritableThreadLocal 实例的set方法时,创建的就是当前线程的inheritableThreadLocals变量的实例而不再是threadLocals了。
由(2)处代码可知,InheritableThreadLocal 重写了 getMap
方法,那么调用InheritableThreadLocal 实例的get方法时,就是获取当前线程的inheritableThreadLocals变量的实例而不再是threadLocals。
那么(1)处代码是如何实现子线程可以访问在父线程中设置的本地变量值的?
这要从创建Thread的代码将起,打开Thread类的默认构造函数:
public Thread(Runnable target) {init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);}private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,long stackSize) {init(g, target, name, stackSize, null, true);}private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,long stackSize, AccessControlContext acc,boolean inheritThreadLocals) {......//(4)获取当前线程Thread parent = currentThread();......//(5)如果父线程的inheritableThreadLocals 变量不为nullif (parent.inheritableThreadLocals != null)//(6)设置子线程中的 inheritableThreadLocals 变量this.inheritableThreadLocals =ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);......}
由(4)处代码,获取了当前线程(main函数所在的线程,即父线程)
这里可能有同学会有疑问,这里获取到的当前线程为何是父线程?
想一下,当我们new Thread()的时候,是不是在main()方法里执行的,所以当前执行创建Thread代码的线程是main线程,所以(4)处代码中currentThread()方法获取到的就是父线程啦!
由(5)处代码,判断main线程里的inheritableThreadLocals 是否为null,不为null时,则执行代码(6)。
由(6)处代码,我们来看看createInheritedMap()
方法:
static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {return new ThreadLocalMap(parentMap);}
在createInheritedMap
方法中,使用父线程的inheritableThreadLocals变量作为构造函数创建了一个新的ThreadLocalMap对象,由(6)处:
this.inheritableThreadLocals=ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
知道将子线程的inheritableThreadLocals引用指向了这个新创建的ThreadLocalMap对象。
再看看 ThreadLocalMap(parentMap)
构造函数:
private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {Entry[] parentTable = parentMap.table;int len = parentTable.length;setThreshold(len);table = new Entry[len];for (int j = 0; j < len; j++) {Entry e = parentTable[j];if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();if (key != null) {//(7)调用了InheritableThreadLocal类重写的 childValue 方法Object value = key.childValue(e.value);Entry c = new Entry(key, value);int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);while (table[h] != null)h = nextIndex(h, len);table[h] = c;size++;}}}}
在构造函数中就是把父线程的inheritableThreadLocal变量的值复制到新的ThreadLocalMap对象中,(7)处代码实际上是调用了(1)处代码。
总结一下:InheritableThreadLocal实现子线程可以访问父线程的线程变量的实现原理如下:
- InheritableThreadLocal通过重写
createMap
和getMap
方法让本地变量保存到了具体线程的inheritableThreadLocal变量中 - 线程通过调用inheritableThreadLocal实例的
set
或get
方法时,就会创建当前线程的inheritableThreadLocal变量 - 当父线程创建子线程时,构造函数会把父线程中的inheritableThreadLocal变量里面的本地变量值复制一份保存到子线程的inheritableThreadLocal变量里
将最开始的代码作以下修改:
public class TestThreadLocal {//(1)创建线程变量public static InheritableThreadLocal<String> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();public static void main(String[] args) {//(2)赋值本地变量threadLocal.set("hello world");//(3)启动子线程new Thread(() -> {//(4)子线程输出线程变量的值System.out.println("thread:" + threadLocal.get());}).start();//(5)主线程输出线程变量的值System.out.println("main:" + threadLocal.get());}
}
结果就变成了:
很多子线程需要使用父线程中的变量值的场景都可以使用InheritableThreadLocal,是不是很强大呢?
这期就到这里,ThreadLocal、InheritableThreadLocal在Java并发编程中的地位举足轻重,理解了它们的底层实现和应用场景,会让你的大厂面试更有加分项。你们的三连是我创作的最大动力,我们下期见。
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