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如何使用Java中的ThreadLocal类?

王林

王林

发布时间:2023-05-08 23:49:06

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来源于亿速云

转载

    threadlocal有什么用:

    简单的说就是,一个threadlocal在一个线程中是共享的,在不同线程之间又是隔离的(每个线程都只能看到自己线程的值)。如下图:

    Java中ThreadLocal类怎么使用

    ThreadLocal使用实例

    API介绍

    在使用Threadlocal之前我们先看以下它的API:

    Java中ThreadLocal类怎么使用

    ThreadLocal类的API非常的简单,在这里比较重要的就是get()、set()、remove(),set用于赋值操作,get用于获取变量的值,remove就是删除当前变量的值.需要注意的是initialValue方法会在第一次调用时被触发,用于初始化当前变量值,默认情况下initialValue返回的是null。

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    ThreadLocal的使用

    说完了ThreadLocal类的API了,那我们就来动手实践一下了,来理解前面的那句话:一个ThreadLocal在一个线程中是共享的,在不同线程之间又是隔离的(每个线程都只能看到自己线程的值)

    public class ThreadLocalTest {
    
        private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() {
    	// 重写这个方法,可以修改“线程变量”的初始值,默认是null
            @Override
            protected Integer initialValue() {
                return 0;
            }
        };
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
            //一号线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("一号线程set前:" + threadLocal.get());
                    threadLocal.set(1);
                    System.out.println("一号线程set后:" + threadLocal.get());
                }
            }).start();
    
            //二号线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("二号线程set前:" + threadLocal.get());
                    threadLocal.set(2);
                    System.out.println("二号线程set后:" + threadLocal.get());
    
                }
            }).start();
    
            //主线程睡1s
            Thread.sleep(1000);
    
            //主线程
            System.out.println("主线程的threadlocal值:" + threadLocal.get());
    
        }
    
    }

    稍微解释一下上面的代码:

    每一个ThreadLocal实例就类似于一个变量名,不同的ThreadLocal实例就是不同的变量名,它们内部会存有一个值(暂时这么理解)在后面的描述中所说的“ThreadLocal变量或者是线程变量”代表的就是ThreadLocal类的实例。

    在类中创建了一个静态的 “ThreadLocal变量”,在主线程中创建两个线程,在这两个线程中分别设置ThreadLocal变量为1和2。然后等待一号和二号线程执行完毕后,在主线程中查看ThreadLocal变量的值。

    程序结果及分析⌛

    Java中ThreadLocal类怎么使用

    程序结果重点看的是主线程输出的是0,如果是一个普通变量,在一号线程和二号线程中将普通变量设置为1和2,那么在一二号线程执行完毕后在打印这个变量,输出的值肯定是1或者2(到底输出哪一个由操作系统的线程调度逻辑有关)。但使用ThreadLocal变量通过两个线程赋值后,在主线程程中输出的却是初始值0。在这也就是为什么“一个ThreadLocal在一个线程中是共享的,在不同线程之间又是隔离的”,每个线程都只能看到自己线程的值,这也就是 ThreadLocal的核心作用:实现线程范围的局部变量。

    Threadlocal 的源码分析

    原理

    每个Thread对象都有一个ThreadLocalMap,当创建一个ThreadLocal的时候,就会将该ThreadLocal对象添加到该Map中,其中键就是ThreadLocal,值可以是任意类型。 这句话刚看可能不是很懂,下面我们一起看完源码就明白了。

    前面我们的理解是所有的常量值或者是引用类型的引用都是保存在ThreadLocal实例中的,但实际上不是的,这种说法只是让我们更好的理解ThreadLocal变量这个概念。向ThreadLocal存入一个值,实际上是向当前线程对象中的ThreadLocalMap存入值,ThreadLocalMap我们可以简单的理解成一个Map,而向这个Map存值的key就是ThreadLocal实例本身。

    源码

    Java中ThreadLocal类怎么使用

    ????也就是说,想要存入的ThreadLocal中的数据实际上并没有存到ThreadLocal对象中去,而是以这个ThreadLocal实例作为key存到了当前线程中的一个Map中去了,获取ThreadLocal的值时同样也是这个道理。这也就是为什么ThreadLocal可以实现线程之间隔离的原因了。

    内部类ThreadLocalMap

    ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类,实现了一套自己的Map结构✨

    ThreadLocalMap属性:

    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
                Object value;
                Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                    super(k);
                    value = v;
                }
            }
            //初始容量16
            private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
            //散列表
            private Entry[] table;
            //entry 有效数量 
            private int size = 0;
            //负载因子
            private int threshold;

    ThreadLocalMap设置ThreadLocal 变量

    private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
                Entry[] tab = table;
                int len = tab.length;
                
                //与运算  & (len-1) 这就是为什么 要求数组len 要求2的n次幂 
                //因为len减一后最后一个bit是1 与运算计算出来的数值下标 能保证全覆盖 
                //否者数组有效位会减半 
                //如果是hashmap 计算完下标后 会增加链表 或红黑树的查找计算量 
                int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
                
                // 从下标位置开始向后循环搜索  不会死循环  有扩容因子 必定有空余槽点
                for (Entry e = tab[i];   e != null;  e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                    ThreadLocal<?> k = e.get();
                    //一种情况 是当前引用 返回值
                    if (k == key) {
                        e.value = value;
                        return;
                    }
                    //槽点被GC掉 重设状态 
                    if (k == null) {
                        replaceStaleEntry(key, value, i);
                        return;
                    }
                }
    			//槽点为空 设置value
                tab[i] = new Entry(key, value);
                //设置ThreadLocal数量
                int sz = ++size;
    			
    			//没有可清理的槽点 并且数量大于负载因子 rehash
                if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                    rehash();
            }

    ThreadLocalMap属性介绍????:

    • 和普通Hashmap类似存储在一个数组内,但与hashmap使用的拉链法解决散列冲突不同的是 ThreadLocalMap使用开放地址法

    • 数组 初始容量16,负载因子2/3

    • node节点 的key封装了WeakReference 用于回收

    ThreadLocalMap存储位置

    储存在Thread中,有两个ThreadLocalMap变量

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    下载

    Java中ThreadLocal类怎么使用

    threadLocals 在ThreadLocal对象方法set中去创建 也由ThreadLocal来维护

    public void set(T value) {
            Thread t = Thread.currentThread();
            ThreadLocalMap map = getMap(t);
            if (map != null)
                map.set(this, value);
            else
                createMap(t, value);
        }
    
        void createMap(Thread t, T firstValue) {
            t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
        }

    inheritableThreadLocals 和ThreadLocal类似 InheritableThreadLocal重写了createMap方法

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
            t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
        }

    inheritableThreadLocals 作用是将ThreadLocalMap传递给子线程

    Java中ThreadLocal类怎么使用

    init方法中 条件满足后直接为子线程创建ThreadLocalMap

    Java中ThreadLocal类怎么使用

    注意:

    • 仅在初始化子线程的时候会传递 中途改变副线程的inheritableThreadLocals 变量 不会将影响结果传递到子线程 。

    • 使用线程池要注意 线程不回收 尽量避免使用父线程的inheritableThreadLocals 导致错误

    Key的弱引用问题

    为什么要用弱引用,官方是这样回答的

    To help deal with very large and long-lived usages, the hash table entries use WeakReferences for keys.

    为了处理非常大和生命周期非常长的线程,哈希表使用弱引用作为 key。

    生命周期长的线程可以理解为:线程池的核心线程

    ThreadLocal在没有外部对象强引用时如Thread,发生GC时弱引用Key会被回收,而Value是强引用不会回收,如果创建ThreadLocal的线程一直持续运行如线程池中的线程,那么这个Entry对象中的value就有可能一直得不到回收,发生内存泄露。

    • key 使用强引用????: 引用的ThreadLocal的对象被回收了,但是ThreadLocalMap还持有ThreadLocal的强引用,如果没有手动删除,ThreadLocal不会被回收,导致Entry内存泄漏。

    • key 使用弱引用????: 引用的ThreadLocal的对象被回收了,由于ThreadLocalMap持有ThreadLocal的弱引用,即使没有手动删除,ThreadLocal也会被回收。value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove的时候会被清除。

    Java8中已经做了一些优化如,在ThreadLocal的get()、set()、remove()方法调用的时候会清除掉线程ThreadLocalMap中所有Entry中Key为null的Value,并将整个Entry设置为null,利于下次内存回收。

    java中的四种引用

    • 强引用????: 如果一个对象具有强引用,它就不会被垃圾回收器回收。即使当前内存空间不足,JVM也不会回收它,而是抛出 OutOfMemoryError 错误,使程序异常终止。如果想中断强引用和某个对象之间的关联,可以显式地将引用赋值为null,这样一来的话,JVM在合适的时间就会回收该对象

    • 软引用????: 在使用软引用时,如果内存的空间足够,软引用就能继续被使用,而不会被垃圾回收器回收,只有在内存不足时,软引用才会被垃圾回收器回收。(软引用可用来实现内存敏感的高速缓存,比如网页缓存、图片缓存等。使用软引用能防止内存泄露,增强程序的健壮性)

    • 弱引用????: 具有弱引用的对象拥有的生命周期更短暂。因为当 JVM 进行垃圾回收,一旦发现弱引用对象,无论当前内存空间是否充足,都会将弱引用回收。不过由于垃圾回收器是一个优先级较低的线程,所以并不一定能迅速发现弱引用对象

    • 虚引用????: 虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时,如果发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存之前,把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。(注意哦,其它引用是被JVM回收后才被传入ReferenceQueue中的。由于这个机制,所以虚引用大多被用于引用销毁前的处理工作。可以使用在对象销毁前的一些操作,比如说资源释放等。)

    通常ThreadLocalMap的生命周期跟Thread(注意线程池中的Thread)一样长,如果没有手动删除对应key(线程使用结束归还给线程池了,其中的KV不再被使用但又不会GC回收,可认为是内存泄漏),一定会导致内存泄漏,但是使用弱引用可以多一层保障:弱引用ThreadLocal会被GC回收,不会内存泄漏,对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove的时候会被清除,Java8已经做了上面的代码优化。

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