使用 ThreadLocal 一次解决老大难问题

你的名字 2021-08-19 11:40 444阅读 0赞

![format_png][]

作者 | 鲁毅

链接 | juejin.im/post/5e0d8765f265da5d332cde44

参考 | https://coding.imooc.com/class/409.html

## **1.ThreadLocal的使用场景** ##

### **1.1 场景1** ###

每个线程需要一个独享对象（通常是工具类，典型需要使用的类有SimpleDateFormat和Random）

每个Thread内有自己的实例副本，不共享

比喻：教材只有一本，一起做笔记有线程安全问题。复印后没有问题，使用ThradLocal相当于复印了教材。

### **1.2 场景2** ###

每个线程内需要保存全局变量（例如在拦截器中获取用户信息），可以让不同方法直接使用，避免参数传递的麻烦

## **2.对以上场景的实践** ##

### **2.1 实践场景1** ###

/**
     * 两个线程打印日期
     */
    public class ThreadLocalNormalUsage00 {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    String date = new ThreadLocalNormalUsage00().date(10);
                    System.out.println(date);
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    String date = new ThreadLocalNormalUsage00().date(104707);
                    System.out.println(date);
                }
            }).start();
    
        }
    
        public String date(int seconds) {
    
            //参数的单位是毫秒，从1970.1.1 00:00:00 GMT 开始计时
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
            return dateFormat.format(date);
        }
    }

运行结果

![format_png 1][]

因为中国位于东八区，所以时间从1970年1月1日的8点开始计算的

/**
     * 三十个线程打印日期
     */
    public class ThreadLocalNormalUsage01 {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
                int finalI = i;
                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        String date = new ThreadLocalNormalUsage01().date(finalI);
                        System.out.println(date);
                    }
                }).start();
                //线程启动后，休眠100ms
                Thread.sleep(100);
            }
        }
    
        public String date(int seconds) {
    
            //参数的单位是毫秒，从1970.1.1 00:00:00 GMT 开始计时
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
            return dateFormat.format(date);
        }
    }

运行结果

![format_png 2][]

多个线程打印自己的时间（如果线程超级多就会产生性能问题），所以要使用线程池。

/**
     * 1000个线程打印日期，用线程池来执行
     */
    public class ThreadLocalNormalUsage02 {
    
        public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                int finalI = i;
                //提交任务
                threadPool.submit(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        String date = new ThreadLocalNormalUsage02().date(finalI);
                        System.out.println(date);
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
    
        public String date(int seconds) {
    
            //参数的单位是毫秒，从1970.1.1 00:00:00 GMT 开始计时
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
            return dateFormat.format(date);
        }
    }

运行结果

![format_png 3][]

但是使用线程池时就会发现每个线程都有一个自己的SimpleDateFormat对象，没有必要，所以将SimpleDateFormat声明为静态，保证只有一个

/**
     * 1000个线程打印日期，用线程池来执行，出现线程安全问题
     */
    public class ThreadLocalNormalUsage03 {
    
        public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //只创建一次 SimpleDateFormat 对象，避免不必要的资源消耗
        static SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                int finalI = i;
                //提交任务
                threadPool.submit(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        String date = new ThreadLocalNormalUsage03().date(finalI);
                        System.out.println(date);
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
    
        public String date(int seconds) {
    
            //参数的单位是毫秒，从1970.1.1 00:00:00 GMT 开始计时
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            return dateFormat.format(date);
        }
    }

运行结果

出现了秒数相同的打印结果，这显然是不正确的。

![format_png 4][]

### **出现问题的原因** ###

![format_png 5][]

多个线程的task指向了同一个SimpleDateFormat对象，SimpleDateFormat是非线程安全的。

TIps：关注公众号：Java后端，每日推送技术博文。

### **解决问题的方案** ###

**方案1：加锁**

格式化代码是在最后一句`return dateFormat.format(date);`,所以可以为最后一句代码添加synchronized锁

public String date(int seconds) {
    
        //参数的单位是毫秒，从1970.1.1 00:00:00 GMT 开始计时
        Date date = new Date(1000 * seconds);
        String s;
        synchronized (ThreadLocalNormalUsage04.class) {
            s = dateFormat.format(date);
        }
        return s;
    }

运行结果

![format_png 6][]

运行结果中没有发现相同的时间，达到了线程安全的目的

缺点：因为添加了synchronized，所以会保证同一时间只有一条线程可以执行，这在高并发场景下肯定不是一个好的选择，所以看看其他方案吧。

**方案2：使用ThreadLocal**

/**
     * 利用 ThreadLocal 给每个线程分配自己的 dateFormat 对象
     * 不但保证了线程安全，还高效的利用了内存
     */
    public class ThreadLocalNormalUsage05 {
    
        public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                int finalI = i;
                //提交任务
                threadPool.submit(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        String date = new ThreadLocalNormalUsage05().date(finalI);
                        System.out.println(date);
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
    
        public String date(int seconds) {
    
            //参数的单位是毫秒，从1970.1.1 00:00:00 GMT 开始计时
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            //获取 SimpleDateFormat 对象
            SimpleDateFormat dateFormat = ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal.get();
            return dateFormat.format(date);
        }
    }
    
    class ThreadSafeFormatter {
    
        public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new
                ThreadLocal<SimpleDateFormat>(){
    
            //创建一份 SimpleDateFormat 对象
            @Override
            protected SimpleDateFormat initialValue() {
                return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
            }
        };
    }

运行结果

![format_png 7][]

使用了ThreadLocal后不同的线程不会有共享的 SimpleDateFormat 对象，所以也就不会有线程安全问题

### **2.2 实践场景2** ###

当前用户信息需要被线程内的所有方法共享

**方案1：传递参数**

**![format_png 8][]**

可以将user作为参数在每个方法中进行传递，

缺点：但是这样做会产生代码冗余问题，并且可维护性差。

**方案2：使用Map**

对此进行改进的方案是使用一个Map，在第一个方法中存储信息，后续需要使用直接get()即可，

![format_png 9][]

缺点：如果在单线程环境下可以保证安全，但是在多线程环境下是不可以的。如果使用加锁和ConcurrentHashMap都会产生性能问题。

**方案3：使用ThreadLocal，实现不同方法间的资源共享**

使用 ThreadLocal 可以避免加锁产生的性能问题，也可以避免层层传递参数来实现业务需求，就可以实现不同线程中存储不同信息的要求。

![format_png 10][]

/**
     * 演示 ThreadLocal 的用法2：避免参数传递的麻烦
     */
    public class ThreadLocalNormalUsage06 {
        public static void main(String[] args) {
            new Service1().process();
        }
    }
    
    class Service1 {
    
        public void process() {
            User user = new User("鲁毅");
            //将User对象存储到 holder 中
            UserContextHolder.holder.set(user);
            new Service2().process();
        }
    }
    
    class Service2 {
    
        public void process() {
            User user = UserContextHolder.holder.get();
            System.out.println("Service2拿到用户名: " + user.name);
            new Service3().process();
        }
    }
    
    class Service3 {
    
        public void process() {
            User user = UserContextHolder.holder.get();
            System.out.println("Service3拿到用户名: " + user.name);
        }
    }
    
    
    class UserContextHolder {
    
        public static ThreadLocal<User> holder = new ThreadLocal<>();
    }
    
    class User {
    
        String name;
    
        public User(String name) {
            this.name = name;
        }
    }

运行结果

![format_png 11][]

## **3. 对ThreadLocal的总结** ##

*  让某个需要用到的对象实现线程之间的隔离（每个线程都有自己独立的对象）
 *  可以在任何方法中轻松的获取到该对象
 *  根据共享对象生成的时机选择使用initialValue方法还是set方法
 *  对象初始化的时机由我们控制的时候使用initialValue 方式
 *  如果对象生成的时机不由我们控制的时候使用 set 方式

## **4. 使用ThreadLocal的好处** ##

*  达到线程安全的目的
 *  不需要加锁，执行效率高
 *  更加节省内存，节省开销
 *  免去传参的繁琐，降低代码耦合度

## **5. ThreadLocal原理** ##

![format_png 12][]

*  Thread
 *  ThreadLocal
 *  ThreadLocalMap

在Thread类内部有有ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;这个变量，它用于存储ThreadLocal，因为在同一个线程当中可以有多个ThreadLocal，并且多次调用get()所以需要在内部维护一个ThreadLocalMap用来存储多个ThreadLocal

### **5.1 ThreadLocal相关方法** ###

**T initialValue()**

该方法用于设置初始值，并且在调用get()方法时才会被触发，所以是懒加载。

但是如果在get()之前进行了set()操作，这样就不会调用initialValue()。

通常每个线程只能调用一次本方法，但是调用了remove()后就能再次调用

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
    
        //获取到了值直接返回resule
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        //没有获取到才会进行初始化
        return setInitialValue();
    }
    
    private T setInitialValue() {
        //获取initialValue生成的值，并在后续操作中进行set，最后将值返回
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }
    
    public void remove() {
        ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
        if (m != null)
            m.remove(this);
    }

**void set(T t)**

为这个线程设置一个新值

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

**T get()**

获取线程对应的value

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

**void remove()**

删除对应这个线程的值

## **6.ThreadLocal注意点** ##

### **6.1 内存泄漏** ###

内存泄露；某个对象不会再被使用，但是该对象的内存却无法被收回

![format_png 12][]

static class ThreadLocalMap {
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;
    
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                //调用父类，父类是一个弱引用
                super(k);
                //强引用
                value = v;
            }
        }

强引用：当内存不足时触发GC，宁愿抛出OOM也不会回收强引用的内存

弱引用：触发GC后便会回收弱引用的内存

**正常情况**

当Thread运行结束后，ThreadLocal中的value会被回收，因为没有任何强引用了

**非正常情况**

当Thread一直在运行始终不结束，强引用就不会被回收，存在以下调用链 `Thread-->ThreadLocalMap-->Entry(key为null)-->value`因为调用链中的 value 和 Thread 存在强引用，所以value无法被回收，就有可能出现OOM。

JDK的设计已经考虑到了这个问题，所以在set()、remove()、resize()方法中会扫描到key为null的Entry，并且把对应的value设置为null，这样value对象就可以被回收。

private void resize() {
        Entry[] oldTab = table;
        int oldLen = oldTab.length;
        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();
                //当ThreadLocal为空时，将ThreadLocal对应的value也设置为null
                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;
    }

但是只有在调用set()、remove()、resize()这些方法时才会进行这些操作，如果没有调用这些方法并且线程不停止，那么调用链就会一直存在，所以可能会发生内存泄漏。

### **6.2 如何避免内存泄漏（阿里规约）** ###

调用remove()方法，就会删除对应的Entry对象，可以避免内存泄漏，所以使用完ThreadLocal后，要调用remove()方法。

class Service1 {
    
        public void process() {
            User user = new User("鲁毅");
            //将User对象存储到 holder 中
            UserContextHolder.holder.set(user);
            new Service2().process();
        }
    }
    
    class Service2 {
    
        public void process() {
            User user = UserContextHolder.holder.get();
            System.out.println("Service2拿到用户名: " + user.name);
            new Service3().process();
        }
    }
    
    class Service3 {
    
        public void process() {
            User user = UserContextHolder.holder.get();
            System.out.println("Service3拿到用户名: " + user.name);
            //手动释放内存，从而避免内存泄漏
            UserContextHolder.holder.remove();
        }
    }

### **6.3 ThreadLocal的空指针异常问题** ###

/**
     * ThreadLocal的空指针异常问题
     */
    public class ThreadLocalNPE {
    
        ThreadLocal<Long> longThreadLocal = new ThreadLocal<>();
    
        public void set() {
            longThreadLocal.set(Thread.currentThread().getId());
        }
    
        public Long get() {
            return longThreadLocal.get();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
    
            ThreadLocalNPE threadLocalNPE = new ThreadLocalNPE();
    
            //如果get方法返回值为基本类型，则会报空指针异常，如果是包装类型就不会出错
            System.out.println(threadLocalNPE.get());
    
            Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    threadLocalNPE.set();
                    System.out.println(threadLocalNPE.get());
                }
            });
            thread1.start();
        }
    }

### **6.4 空指针异常问题的解决**    ###

如果get方法返回值为基本类型，则会报空指针异常，如果是包装类型就不会出错。这是因为基本类型和包装类型存在装箱和拆箱的关系，造成空指针问题的原因在于使用者。

### **6.5 共享对象问题** ###

如果在每个线程中ThreadLocal.set()进去的东西本来就是多个线程共享的同一对象，比如static对象，那么多个线程调用ThreadLocal.get()获取的内容还是同一个对象，还是会发生线程安全问题。

### **6.6 可以不使用ThreadLocal就不要强行使用** ###

如果在任务数很少的时候，在局部方法中创建对象就可以解决问题，这样就不需要使用ThreadLocal。

### **6.7 优先使用框架的支持，而不是自己创造** ###

例如在Spring框架中，如果可以使用RequestContextHolder，那么就不需要自己维护ThreadLocal，因为自己可能会忘记调用remove()方法等，造成内存泄漏。

本文仅为自己学习时记下的笔记，参考自慕课：

> https://coding.imooc.com/class/409.html

**- END -**

**推****荐****阅****读 **

***1.*** [GitHub 项目搜索技巧：让你更高效精准地搜索项目][GitHub]

***2. ***[警告！你的隐私正在被上亿网友围观偷看！][Link 1]

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***4.*** [什么是一致性 Hash 算法？][Hash]

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[format_png 1]: /images/20210730/c812ee3859b94a00bc972f4a35a75d04.png
[format_png 2]: /images/20210730/122cdc53804e4f93aa06ba3cbcf5adf5.png
[format_png 3]: /images/20210730/07ab0ea5cb3d4699b74cef53b7de3e75.png
[format_png 4]: /images/20210730/35dcc072838b460c8016a1367e85ec87.png
[format_png 5]: /images/20210730/d41661cb81574f3185678ed499cd7d89.png
[format_png 6]: /images/20210730/411b4563978748cea975949ac0c8ee62.png
[format_png 7]: /images/20210730/79546838dd3946999fc96b5b3e50292e.png
[format_png 8]: /images/20210730/889b0b073db24ea4bb10fadca4c5fdf0.png
[format_png 9]: /images/20210730/9fb9d7e763dc453eb1ed2bcb20f9cbde.png
[format_png 10]: /images/20210730/3914c02422244969b2e7bc0200f81ae5.png
[format_png 11]: /images/20210730/105278b54ee24e4cae51a5590d4ebf43.png
[format_png 12]: /images/20210730/1ddc626a7e984e10b5887b815f7348b0.png
[GitHub]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2MjEwMjI1Mg%3D%3D&chksm=ce0da8e3f97a21f58a4fafcdd74124527cf97de0dbf204e4b5747d5edebc77dab4ba5a11dcee&idx=1&mid=2247491424&scene=21&sn=f8daaf09a70c100307833b05c4df7808#wechat_redirect
[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_37217713/article/details/103900664
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