前一段时间,有同事使用ThreadLocal踩坑了,正好引起了我的兴趣。
所以近期,我抽空把ThreadLocal的源码再研究了一下,越看越有意思,发现里面的东西还真不少。
我把精华浓缩了一下,汇集成了下面11个问题,看看你能顶住第几个?
并发编程是一项非常重要的技术,它让我们的程序变得更加高效。
但在并发的场景中,如果有多个线程同时修改公共变量,可能会出现线程安全问题,即该变量最终结果可能出现异常。
为了解决线程安全问题,JDK出现了很多技术手段,比如:使用synchronized或Lock,给访问公共资源的代码上锁,保证了代码的原子性。
但在高并发的场景中,如果多个线程同时竞争一把锁,这时会存在大量的锁等待,可能会浪费很多时间,让系统的响应时间一下子变慢。
因此,JDK还提供了另外一种用空间换时间的新思路:ThreadLocal。
它的核心思想是:共享变量在每个线程都有一个副本,每个线程操作的都是自己的副本,对另外的线程没有影响。
例如:
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@Service public class ThreadLocalService {private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();public void add() {threadLocal.set(1);doSamething();Integer integer = threadLocal.get();}}
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为了搞清楚ThreadLocal的底层实现原理,我们不得不扒一下源码。
ThreadLocal的内部有一个静态的内部类叫:ThreadLocalMap。
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public class ThreadLocal<T> { ... public T get() {//获取当前线程 Thread t = Thread.currentThread();//获取当前线程的成员变量ThreadLocalMap对象 ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {//根据threadLocal对象从map中获取Entry对象 ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")//获取保存的数据 T result = (T)e.value;return result;}}//初始化数据 return setInitialValue();} private T setInitialValue() {//获取要初始化的数据 T value = initialValue();//获取当前线程 Thread t = Thread.currentThread();//获取当前线程的成员变量ThreadLocalMap对象 ThreadLocalMap map = getMap(t);//如果map不为空 if (map != null)//将初始值设置到map中,key是this,即threadLocal对象,value是初始值 map.set(this, value);else //如果map为空,则需要创建新的map对象 createMap(t, value);return value;} public void set(T value) {//获取当前线程 Thread t = Thread.currentThread();//获取当前线程的成员变量ThreadLocalMap对象 ThreadLocalMap map = getMap(t);//如果map不为空 if (map != null)//将值设置到map中,key是this,即threadLocal对象,value是传入的value值 map.set(this, value);else //如果map为空,则需要创建新的map对象 createMap(t, value);} static class ThreadLocalMap {... } ...}
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ThreadLocal的get方法、set方法和setInitialValue方法,其实最终操作的都是ThreadLocalMap类中的数据。
其中ThreadLocalMap类的内部如下:
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static class ThreadLocalMap {static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {Object value;Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);value = v;} } ... private Entry[] table; ...}
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ThreadLocalMap里面包含一个静态的内部类Entry,该类继承于WeakReference类,说明Entry是一个弱引用。
ThreadLocalMap内部还包含了一个Entry数组,其中:Entry = ThreadLocal + value。
而ThreadLocalMap被定义成了Thread类的成员变量。
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public class Thread implements Runnable {... ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;}
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下面用一张图从宏观上,认识一下ThreadLocal的整体结构:
从上图中看出,在每个Thread类中,都有一个ThreadLocalMap的成员变量,该变量包含了一个Entry数组,该数组真正保存了ThreadLocal类set的数据。
Entry是由threadLocal和value组成,其中threadLocal对象是弱引用,在GC的时候,会被自动回收。而value就是ThreadLocal类set的数据。
下面用一张图总结一下引用关系:
上图中除了Entry的key对ThreadLocal对象是弱引用,其他的引用都是强引用。
需要特别说明的是,上图中ThreadLocal对象我画到了堆上,其实在实际的业务场景中不一定在堆上。因为如果ThreadLocal被定义成了static的,ThreadLocal的对象是类共用的,可能出现在方法区。
不知道你有没有思考过这样一个问题:ThreadLocalMap为什么要用ThreadLocal做key,而不是用Thread做key?
如果在你的应用中,一个线程中只使用了一个ThreadLocal对象,那么使用Thread做key也未尝不可。
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@Service public class ThreadLocalService {private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();}
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但实际情况中,你的应用,一个线程中很有可能不只使用了一个ThreadLocal对象。这时使用Thread做key不就出有问题?
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@Service public class ThreadLocalService {private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal1 = new ThreadLocal<>();private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal2 = new ThreadLocal<>();private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal3 = new ThreadLocal<>();}
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假如使用Thread做key时,你的代码中定义了3个ThreadLocal对象,那么,通过Thread对象,它怎么知道要获取哪个ThreadLocal对象呢?
如下图所示:
因此,不能使用Thread做key,而应该改成用ThreadLocal对象做key,这样才能通过具体ThreadLocal对象的get方法,轻松获取到你想要的ThreadLocal对象。
如下图所示:
前面说过,Entry的key,传入的是ThreadLocal对象,使用了WeakReference对象,即被设计成了弱引用。
那么,为什么要这样设计呢?
假如key对ThreadLocal对象的弱引用,改为强引用。
我们都知道ThreadLocal变量对ThreadLocal对象是有强引用存在的。
即使ThreadLocal变量生命周期完了,设置成null了,但由于key对ThreadLocal还是强引用。
此时,如果执行该代码的线程使用了线程池,一直长期存在,不会被销毁。
就会存在这样的强引用链:Thread变量 -> Thread对象 -> ThreadLocalMap -> Entry -> key -> ThreadLocal对象。
那么,ThreadLocal对象和ThreadLocalMap都将不会被GC回收,于是产生了内存泄露问题。
为了解决这个问题,JDK的开发者们把Entry的key设计成了弱引用。
弱引用的对象,在GC做垃圾清理的时候,就会被自动回收了。
如果key是弱引用,当ThreadLocal变量指向null之后,在GC做垃圾清理的时候,key会被自动回收,其值也被设置成null。
如下图所示:
接下来,最关键的地方来了。
由于当前的ThreadLocal变量已经被指向null了,但如果直接调用它的get、set或remove方法,很显然会出现空指针异常。因为它的生命已经结束了,再调用它的方法也没啥意义。
此时,如果系统中还定义了另外一个ThreadLocal变量b,调用了它的get、set或remove,三个方法中的任何一个方法,都会自动触发清理机制,将key为null的value值清空。
如果key和value都是null,那么Entry对象会被GC回收。如果所有的Entry对象都被回收了,ThreadLocalMap也会被回收了。
这样就能最大程度的解决内存泄露问题。
需要特别注意的地方是:
key为null的条件是,ThreadLocal变量指向null,并且key是弱引用。如果ThreadLocal变量没有断开对ThreadLocal的强引用,即ThreadLocal变量没有指向null,GC就贸然的把弱引用的key回收了,不就会影响正常用户的使用?
如果当前ThreadLocal变量指向null了,并且key也为null了,但如果没有其他ThreadLocal变量触发get、set或remove方法,也会造成内存泄露。
下面看看弱引用的例子:
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public static void main(String[] args) {WeakReference<Object> weakReference0 = new WeakReference<>(new Object());System.out.println(weakReference0.get());System.gc();System.out.println(weakReference0.get());}
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打印结果:
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java.lang.Object@1ef7fe8enull
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传入WeakReference构造方法的是直接new处理的对象,没有其他引用,在调用gc方法后,弱引用对象会被自动回收。
但如果出现下面这种情况:
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public static void main(String[] args) {Object object = new Object();WeakReference<Object> weakReference1 = new WeakReference<>(object);System.out.println(weakReference1.get());System.gc();System.out.println(weakReference1.get());}
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执行结果:
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java.lang.Object@1ef7fe8e java.lang.Object@1ef7fe8e
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先定义了一个强引用object对象,在WeakReference构造方法中将object对象的引用作为参数传入。这时,调用gc后,弱引用对象不会被自动回收。
我们的Entry对象中的key不就是第二种情况吗?在Entry构造方法中传入的是ThreadLocal对象的引用。
如果将object强引用设置为null:
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public static void main(String[] args) {Object object = new Object();WeakReference<Object> weakReference1 = new WeakReference<>(object);System.out.println(weakReference1.get());System.gc();System.out.println(weakReference1.get());object=null;System.gc();System.out.println(weakReference1.get());}
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执行结果:
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java.lang.Object@6f496d9f java.lang.Object@6f496d9fnull
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第二次gc之后,弱引用能够被正常回收。
由此可见,如果强引用和弱引用同时关联一个对象,那么这个对象是不会被GC回收。也就是说这种情况下Entry的key,一直都不会为null,除非强引用主动断开关联。
此外,你可能还会问这样一个问题:Entry的value为什么不设计成弱引用?
答:Entry的value不只是被Entry引用,有可能被业务系统中的很多地方引用了。如果value改成了弱引用,被GC贸然回收了(数据突然没了),可能会导致业务系统出现异常。
而相比之下,Entry的key,引用的地方就非常明确了。
这就是Entry的key被设计成弱引用,而value没被设计成弱引用的原因。
通过上面的Entry对象中的key设置成弱引用,并且使用get、set或remove方法清理key为null的value值,就能彻底解决内存泄露问题?
答案是否定的。
如下图所示:
假如ThreadLocalMap中存在很多key为null的Entry,但后面的程序,一直都没有调用过有效的ThreadLocal的get、set或remove方法。
那么,Entry的value值一直都没被清空。
所以会存在这样一条强引用链:Thread变量 -> Thread对象 -> ThreadLocalMap -> Entry -> value -> Object。
其结果就是:Entry和ThreadLocalMap将会长期存在下去,会导致内存泄露。
前面说过的ThreadLocal还是会导致内存泄露的问题,我们有没有解决办法呢?
答:有办法,调用ThreadLocal对象的remove方法。
不是在一开始就调用remove方法,而是在使用完ThreadLocal对象之后。列如:
先创建一个CurrentUser类,其中包含了ThreadLocal的逻辑。
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public class CurrentUser {private static final ThreadLocal<UserInfo> THREA_LOCAL = new ThreadLocal(); public static void set(UserInfo userInfo) {THREA_LOCAL.set(userInfo);} public static UserInfo get() { THREA_LOCAL.get();} public static void remove() { THREA_LOCAL.remove();}}
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然后在业务代码中调用相关方法:
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public void doSamething(UserDto userDto) { UserInfo userInfo = convert(userDto); try{ CurrentUser.set(userInfo); ... //业务代码 UserInfo userInfo = CurrentUser.get(); ... } finally { CurrentUser.remove(); }}
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需要我们特别注意的地方是:一定要在finally代码块中,调用remove方法清理没用的数据。如果业务代码出现异常,也能及时清理没用的数据。
remove方法中会把Entry中的key和value都设置成null,这样就能被GC及时回收,无需触发额外的清理机制,所以它能解决内存泄露问题。
前面说过ThreadLocalMap对象底层是用Entry数组保存数据的。
那么问题来了,ThreadLocal是如何定位Entry数组数据的?
在ThreadLocal的get、set、remove方法中都有这样一行代码:
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int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
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通过key的hashCode值,与数组的长度减1。其中key就是ThreadLocal对象,与数组的长度减1,相当于除以数组的长度减1,然后取模。
这是一种hash算法。
接下来给大家举个例子:假设len=16,key.threadLocalHashCode=31,
于是: int i = 31 & 15 = 1
相当于:int i = 31 % 15 = 1
计算的结果是一样的,但是使用与运算效率跟高一些。
为什么与运算效率更高?
答:因为ThreadLocal的初始大小是16,每次都是按2倍扩容,数组的大小其实一直都是2的n次方。这种数据有个规律就是高位是0,低位都是1。在做与运算时,可以不用考虑高位,因为与运算的结果必定是0。只需考虑低位的与运算,所以效率更高。
如果使用hash算法定位具体位置的话,就可能会出现hash冲突的情况,即两个不同的hashCode取模后的值相同。
ThreadLocal是如何解决hash冲突的呢?
我们看看getEntry是怎么做的:
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private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {//通过hash算法获取下标值int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);Entry e = table[i];//如果下标位置上的key正好是我们所需要寻找的key if (e != null && e.get() == key)//说明找到数据了,直接返回 return e;else//说明出现hash冲突了,继续往后找 return getEntryAfterMiss(key, i, e);}
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再看看getEntryAfterMiss方法:
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private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;//判断Entry对象如果不为空,则一直循环 while (e != null) {ThreadLocal<?> k = e.get();//如果当前Entry的key正好是我们所需要寻找的key if (k == key)//说明这次真的找到数据了 return e;if (k == null)//如果key为空,则清理脏数据 expungeStaleEntry(i);else//如果还是没找到数据,则继续往后找 i = nextIndex(i, len);e = tab[i];}return null;}
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关键看看nextIndex方法:
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private static int nextIndex(int i, int len) {return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);}
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当通过hash算法计算出的下标小于数组大小,则将下标值加1。否则,即下标大于等于数组大小,下标变成0了。下标变成0之后,则循环一次,下标又变成1。。。
寻找的大致过程如下图所示:
如果找到最后一个,还是没有找到,则再从头开始找。
不知道你有没有发现,它构成了一个:环形。
ThreadLocal从数组中找数据的过程大致是这样的:
通过key的hashCode取余计算出一个下标。
通过下标,在数组中定位具体Entry,如果key正好是我们所需要的key,说明找到了,则直接返回数据。
如果第2步没有找到我们想要的数据,则从数组的下标位置,继续往后面找。
如果第3步中找key的正好是我们所需要的key,说明找到了,则直接返回数据。
如果还是没有找到数据,再继续往后面找。如果找到最后一个位置,还是没有找到数据,则再从头,即下标为0的位置,继续从前往后找数据。
直到找到第一个Entry为空为止。
从上面得知,ThreadLocal的初始大小是16。那么问题来了,ThreadLocal是如何扩容的?
在set方法中会调用rehash方法:
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private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {Entry[] tab = table;int len = tab.length;int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {ThreadLocal<?> k = e.get();if (k == key) {e.value = value;return;}if (k == null) {replaceStaleEntry(key, value, i);return;}}tab[i] = new Entry(key, value);int sz = ++size;if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)rehash();}
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注意一下,其中有个判断条件是:sz(之前的size+1)如果大于或等于threshold的话,则调用rehash方法。
threshold默认是0,在创建ThreadLocalMap时,调用它的构造方法:
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ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);size = 1;setThreshold(INITIAL_CAPACITY);}
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调用setThreshold方法给threshold设置一个值,而这个值INITIAL_CAPACITY是默认的大小16。
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private void setThreshold(int len) {threshold = len * 2 / 3;}
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也就是第一次设置的threshold = 16 * 2 / 3, 取整后的值是:10。
换句话说当sz大于等于10时,就可以考虑扩容了。
rehash代码如下:
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private void rehash() {//先尝试回收一次key为null的值,腾出一些空间 expungeStaleEntries();if (size >= threshold - threshold / 4)resize();}
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在真正扩容之前,先尝试回收一次key为null的值,腾出一些空间。
如果回收之后的size大于等于threshold的3/4时,才需要真正的扩容。
计算公式如下:
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16 * 2 * 4 / 3 * 4 - 16 * 2 / 3 * 4 = 8
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也就是说添加数据后,新的size大于等于老size的1/2时,才需要扩容。
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private void resize() {Entry[] oldTab = table;int oldLen = oldTab.length;//按2倍的大小扩容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(newLen);size = count;table = newTab;}
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resize中每次都是按2倍的大小扩容。
扩容的过程如下图所示:
扩容的关键步骤如下:
老size + 1 = 新size
如果新size大于等于老size的2/3时,需要考虑扩容。
扩容前先尝试回收一次key为null的值,腾出一些空间。
如果回收之后发现size还是大于等于老size的1/2时,才需要真正的扩容。
每次都是按2倍的大小扩容。
前面介绍的ThreadLocal都是在一个线程中保存和获取数据的。
但在实际工作中,有可能是在父子线程中共享数据的。即在父线程中往ThreadLocal设置了值,在子线程中能够获取到。
例如:
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public class ThreadLocalTest {public static void main(String[] args) {ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();threadLocal.set(6);System.out.println("父线程获取数据:" + threadLocal.get());new Thread(() -> {System.out.println("子线程获取数据:" + threadLocal.get());}).start();}}
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执行结果:
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父线程获取数据:6 子线程获取数据:null
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你会发现,在这种情况下使用ThreadLocal是行不通的。main方法是在主线程中执行的,相当于父线程。在main方法中开启了另外一个线程,相当于子线程。
显然通过ThreadLocal,无法在父子线程中共享数据。
那么,该怎么办呢?
答:使用InheritableThreadLocal,它是JDK自带的类,继承了ThreadLocal类。
修改代码之后:
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public class ThreadLocalTest {public static void main(String[] args) {InheritableThreadLocal<Integer> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();threadLocal.set(6);System.out.println("父线程获取数据:" + threadLocal.get());new Thread(() -> {System.out.println("子线程获取数据:" + threadLocal.get());}).start();}}
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执行结果:
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父线程获取数据:6 子线程获取数据:6
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果然,在换成InheritableThreadLocal之后,在子线程中能够正常获取父线程中设置的值。
其实,在Thread类中除了成员变量threadLocals之外,还有另一个成员变量:inheritableThreadLocals。
Thread类的部分代码如下:
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ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
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最关键的一点是,在它的init方法中会将父线程中往ThreadLocal设置的值,拷贝一份到子线程中。
感兴趣的小伙伴,可以找我私聊。或者看看我后面的文章,后面还会有专栏。
在真实的业务场景中,一般很少用单独的线程,绝大多数,都是用的线程池。
那么,在线程池中如何共享ThreadLocal对象生成的数据呢?
因为涉及到不同的线程,如果直接使用ThreadLocal,显然是不合适的。
我们应该使用InheritableThreadLocal,具体代码如下:
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private static void fun1() {InheritableThreadLocal<Integer> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();threadLocal.set(6);System.out.println("父线程获取数据:" + threadLocal.get());ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();threadLocal.set(6);executorService.submit(() -> {System.out.println("第一次从线程池中获取数据:" + threadLocal.get());});threadLocal.set(7);executorService.submit(() -> {System.out.println("第二次从线程池中获取数据:" + threadLocal.get());});}
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父线程获取数据:6 第一次从线程池中获取数据:6 第二次从线程池中获取数据:6
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由于这个例子中使用了单例线程池,固定线程数是1。
第一次submit任务的时候,该线程池会自动创建一个线程。因为使用了InheritableThreadLocal,所以创建线程时,会调用它的init方法,将父线程中的inheritableThreadLocals数据复制到子线程中。所以我们看到,在主线程中将数据设置成6,第一次从线程池中获取了正确的数据6。
之后,在主线程中又将数据改成7,但在第二次从线程池中获取数据却依然是6。
因为第二次submit任务的时候,线程池中已经有一个线程了,就直接拿过来复用,不会再重新创建线程了。所以不会再调用线程的init方法,所以第二次其实没有获取到最新的数据7,还是获取的老数据6。
那么,这该怎么办呢?
答:使用TransmittableThreadLocal,它并非JDK自带的类,而是阿里巴巴开源jar包中的类。
可以通过如下pom文件引入该jar包:
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<dependency> <groupId>com.alibaba</groupId> <artifactId>transmittable-thread-local</artifactId> <version>2.11.0</version> <scope>compile</scope></dependency>
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代码调整如下:
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private static void fun2() throws Exception {TransmittableThreadLocal<Integer> threadLocal = new TransmittableThreadLocal<>();threadLocal.set(6);System.out.println("父线程获取数据:" + threadLocal.get());ExecutorService ttlExecutorService = TtlExecutors.getTtlExecutorService(Executors.newFixedThreadPool(1));threadLocal.set(6);ttlExecutorService.submit(() -> {System.out.println("第一次从线程池中获取数据:" + threadLocal.get());});threadLocal.set(7);ttlExecutorService.submit(() -> {System.out.println("第二次从线程池中获取数据:" + threadLocal.get());});}
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执行结果:
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父线程获取数据:6 第一次从线程池中获取数据:6 第二次从线程池中获取数据:7
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我们看到,使用了TransmittableThreadLocal之后,第二次从线程中也能正确获取最新的数据7了。
nice。
如果你仔细观察这个例子,你可能会发现,代码中除了使用TransmittableThreadLocal类之外,还使用了TtlExecutors.getTtlExecutorService方法,去创建ExecutorService对象。
这是非常重要的地方,如果没有这一步,TransmittableThreadLocal在线程池中共享数据将不会起作用。
创建ExecutorService对象,底层的submit方法会TtlRunnable或TtlCallable对象。
以TtlRunnable类为例,它实现了Runnable接口,同时还实现了它的run方法:
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public void run() {Map<TransmittableThreadLocal<?>, Object> copied = (Map)this.copiedRef.get();if (copied != null && (!this.releaseTtlValueReferenceAfterRun || this.copiedRef.compareAndSet(copied, (Object)null))) {Map backup = TransmittableThreadLocal.backupAndSetToCopied(copied);try {this.runnable.run();} finally {TransmittableThreadLocal.restoreBackup(backup);}} else {throw new IllegalStateException("TTL value reference is released after run!");}}
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这段代码的主要逻辑如下:
把当时的ThreadLocal做个备份,然后将父类的ThreadLocal拷贝过来。
执行真正的run方法,可以获取到父类最新的ThreadLocal数据。
从备份的数据中,恢复当时的ThreadLocal数据。
最后,一起聊聊ThreadLocal有哪些用途?
老实说,使用ThreadLocal的场景挺多的。
下面列举几个常见的场景:
在spring事务中,保证一个线程下,一个事务的多个操作拿到的是一个Connection。
在hiberate中管理session。
在JDK8之前,为了解决SimpleDateFormat的线程安全问题。
获取当前登录用户上下文。
临时保存权限数据。
使用MDC保存日志信息。
等等,还有很多业务场景,这里就不一一列举了。
由于篇幅有限,今天的内容先分享到这里。希望你看了这篇文章,会有所收获。
接下来留几个问题给大家思考一下:
ThreadLocal变量为什么建议要定义成static的?
Entry数组为什么要通过hash算法计算下标,即直线寻址法,而不直接使用下标值?
强引用和弱引用有什么区别?
Entry数组大小,为什么是2的N次方?
使用InheritableThreadLocal时,如果父线程中重新set值,在子线程中能够正确的获取修改后的新值吗?