快速了解Java中ThreadLocal类

最近看Android FrameWork层代码，看到了ThreadLocal这个类，有点儿陌生，就翻了各种相关博客一一拜读；自己随后又研究了一遍源码，发现自己的理解较之前阅读的博文有不同之处，所以决定自己写篇文章说说自己的理解，希望可以起到以下作用：
- 可以疏通研究结果，加深自己的理解；
- 可以起到抛砖引玉的作用，帮助感兴趣的同学疏通思路；
- 分享学习经历，同大家一起交流和学习。

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一、 ThreadLocal 是什么

ThreadLocal 是Java类库的基础类，在包java.lang下面；

官方的解释是这样的：
Implements a thread-local storage, that is, a variable for which each thread has its own value. All threads share the same ThreadLocal object, but each sees a different value when accessing it, and changes made by one thread do not affect the other threads. The implementation supports null values.

大致意思是：
可以实现线程的本地存储机制，ThreadLocal变量是一个不同线程可以拥有不同值的变量。所有的线程可以共享同一个ThreadLocal对象，但是不同线程访问的时候可以取得不同的值，而且任意一个线程对它的改变不会影响其他线程。类实现是支持null值的（可以在set和get方法传递和访问null值）。

概括来讲有三个特性：

- 不同线程访问时取得不同的值
- 任意线程对它的改变不影响其他线程
- 支持null

下面分别对这些特性进行实例验证，首先定义一个Test类，在此类中我们鉴证上边所提到的三个特性。类定义如下：

Test.java

public class Test{
	//定义ThreadLocal 
	private static ThreadLocal name;
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		name = new ThreadLocal();
		//Define Thread A
		Thread a = new Thread(){
			public void run(){
				System.out.println("Before invoke set,value is:"+name.get());
				name.set(“Thread A”);
				System.out.println("After invoke set, value is:"+name.get());
			}
		}
		;
		//Define Thread B
		Thread b = new Thread(){
			public void run(){
				System.out.println("Before invoke set,value is :"+name.get());
				name.set(“Thread B”);
				System.out.println("After invoke set,value is :"+name.get());
			}
		}
		;
		// Not invoke set, print the value is null
		System.out.println(name.get());
		// Invoke set to fill a value
		name.set(“Thread Main”);
		// Start thread A
		a.start();
		a.join();
		// Print the value after changed the value by thread A
		System.out.println(name.get());
		// Start thread B
		b.start();
		b.join();
		// Print the value after changed the value by thread B
		System.out.println(name.get())
	}
}

代码分析：

从定义中我们可以看到只声明了一个ThreadLocal对象，其他三个线程（主线程、Thread A和Thread B）共享同一个对象；然后，在不同的线程中修改对象的值和在不同的线程中访问对象的值，并在控制台输出查看结果。

看结果：

快速了解Java中ThreadLocal类

从控制台输出结果可以看到里边有三个null的输出，这个是因为在输出前没有对对象进行赋值，验证了支持null的特点；再者，还可以发现在每个线程我都对对象的值做了修改，但是在其他线程访问对象时并不是修改后的值，而是访问线程本地的值；这样也验证了其他两个特点。

二、 ThreadLocal的作用

大家都知道它的使用场景大都是多线程编程，至于具体的作用，这个怎么说那？我觉得这个只能用一个泛的说法来定义，因为一个东西的功能属性定义了以后会限制大家的思路，就好比说菜刀是用来切菜的，好多人就不会用它切西瓜了。
这里，说下我对它的作用的认识，仅供参考，希望能有所帮助。这样来描述吧，当一个多线程的程序需要对多数线程的部分任务（就是run方法里的部分代码）进行封装时，在封装体里就可以用ThreadLocal来包装与线程相关的成员变量，从而保证线程访问的独占性，而且所有线程可以共享一个封装体对象；可以参考下Android里的Looper。不会用代码描述问题的程序员不是好程序员；

看代码：统计线程某段代码耗时的工具（为说明问题自造）

StatisticCostTime.java

// Class that statistic the cost time
public class StatisticCostTime{
	// record the startTime
	// private ThreadLocal startTime = new ThreadLocal();
	private long startTime;
	// private ThreadLocal costTime = new ThreadLocal();
	private long costTime;
	private StatisticCostTime(){
	}
	//Singleton
	public static final StatisticCostTime shareInstance(){
		return InstanceFactory.instance;
	}
	private static class InstanceFactory{
		private static final StatisticCostTime instance = new StatisticCostTime();
	}
	// start
	public void start(){
		// startTime.set(System. nanoTime ());
		startTime = System.nanoTime();
	}
	// end
	public void end(){
		// costTime.set(System. nanoTime () - startTime.get());
		costTime = System.nanoTime() - startTime;
	}
	public long getStartTime(){
		return startTime;
		// return startTime.get();
	}
	public long getCostTime(){
		// return costTime.get();
		return costTime;
	}

好了，工具设计完工了,现在我们用它来统计一下线程耗时试试呗：

Main.java

public class Main{
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		// Define the thread a
		Thread a = new Thread(){
			public void run(){
				try{
					// start record time
					StatisticCostTime.shareInstance().start();
					sleep(200);
					// print the start time of A 
					System.out.println("A-startTime:"+StatisticCostTime.shareInstance().getStartTime());
					// end the record
					StatisticCostTime.shareInstance().end();
					// print the costTime of A   
					System.out.println("A:"+StatisticCostTime.shareInstance().getCostTime());
				}
				catch(Exception e){
				}
			}
		}
		;
		// start a
		a.start();
		// Define thread b
		Thread b = new Thread(){
			public void run(){
				try{
					// record the start time of B1
					StatisticCostTime.shareInstance().start();
					sleep(100);
					// print the start time to console
					System.out.println("B1-startTime:"+StatisticCostTime.shareInstance().getStartTime());
					// end record start time of B1
					StatisticCostTime.shareInstance().end();
					// print the cost time of B1
					System.out.println("B1:"+StatisticCostTime.shareInstance().getCostTime());
					// start record time of B2
					StatisticCostTime.shareInstance().start();
					sleep(100);
					// print start time of B2
					System.out.println("B2-startTime:"+StatisticCostTime.shareInstance().getStartTime());
					// end record time of B2
					StatisticCostTime.shareInstance().end();
					// print cost time of B2
					System.out.println("B2:"+StatisticCostTime.shareInstance().getCostTime());
				}
				catch(Exception e){
				}
			}
		}
		;
		b.start();
	}
}

运行代码后输出结果是这样的
注意：输出结果精确度为纳秒级

快速了解Java中ThreadLocal类

看结果是不是和我们预想的不一样，发现A的结果应该约等于B1+B2才对呀，怎么变成和B2一样了那？答案就是我们在定义startTime和costTime变量时，本意是不应共享的，应是线程独占的才对。而这里变量随单例共享了，所以当计算A的值时，其实startTime已经被B2修改了，所以就输出了和B2一样的结果。

现在我们把StatisticCostTime中注释掉的部分打开，换成ThreadLocal的声明方式试下。
看结果：

快速了解Java中ThreadLocal类

呀！这下达到预期效果了，这时候有同学会说这不是可以线程并发访问了吗，是不是只要我用了ThreadLocal就可以保证线程安全了？答案是no！首先先弄明白为什么会有线程安全问题，无非两种情况：
1、不该共享的资源，你在线程间共享了；
2、线程间共享的资源，你没有保证有序访问；
前者可以用“空间换时间”的方式解决，用ThreadLocal（也可以直接声明线程局部变量），后者用“时间换空间”的方式解决，显然这个就不是ThreadLocal力所能及的了。

三、 ThreadLocal 原理

实现原理其实很简单，每次对ThreadLocal 对象的读写操作其实是对线程的Values对象的读写操作；这里澄清一下，没有什么变量副本的创建，因为就没有用变量分配的内存空间来存T对象的，而是用它所在线程的Values来存T对象的；我们在线程中每次调用ThreadLocal的set方法时，实际上是将object写入线程对应Values对象的过程；调用ThreadLocal的get方法时，实际上是从线程对应Values对象取object的过程。

看源码：

ThreadLocal 的成员变量set

/**
 * Sets the value of this variable for the current thread. If set to
 * {@code null}, the value will be set to null and the underlying entry will
 * still be present.
 *
 * @param value the new value of the variable for the caller thread.
 */
public void set(T value) {
  Thread currentThread = Thread.currentThread();
  Values values = values(currentThread);
  if (values == null) {
    values = initializeValues(currentThread);
  }
  values.put(this, value);
}

TreadLocal 的成员方法get

/**
 * Returns the value of this variable for the current thread. If an entry
 * doesn't yet exist for this variable on this thread, this method will
 * create an entry, populating the value with the result of
 * {@link #initialValue()}.
 *
 * @return the current value of the variable for the calling thread.
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
public T get() {
  // Optimized for the fast path.
  Thread currentThread = Thread.currentThread();
  Values values = values(currentThread);
  if (values != null) {
    Object[] table = values.table;
    int index = hash & values.mask;
    if (this.reference == table[index]) {
      return (T) table[index + 1];
    }
  } else {
    values = initializeValues(currentThread);
  }
 
  return (T) values.getAfterMiss(this);
}

ThreadLocal的成员方法initializeValues

/**
 * Creates Values instance for this thread and variable type.
 */
Values initializeValues(Thread current) {
  return current.localValues = new Values();
}

ThreadLocal 的成员方法values

/**
 * Gets Values instance for this thread and variable type.
 */
Values values(Thread current) {
  return current.localValues;
}

那这个Values又是怎样读写Object那？

Values是作为ThreadLocal的内部类存在的；这个Values里包括了一个重要数组Object[]，这个数据就是解答问题的关键部分，它是用来存储线程本地各种类型TreadLocal变量用的；那么问题来了，具体取某个类型的变量时是怎么保证不取到其他类型的值那？按一般的做法会用一个Map根据key-value映射一下的；对的，思路就是这个思路，但是这里并没有用Map来实现，是用一个Object[]实现的Map机制；但是，若要用Map理解的话，也是不可以的，因为机制是相同的；key其实上对应ThreadLocal的弱引用，value就对应我们传进去的Object。

解释下是怎么用Object[]实现Map机制的（参考图1）；它是用数组下标的奇偶来区分key和value的，就是下表是偶数的位置存储key，奇数存储value，就是这样搞得；感兴趣的同学如果想知道算法实现的话，可以深入研究一下，这里我不在详述了。

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结合前面第一个实例分析下存储情况：

当程序执行时存在A，B和main三个线程，分别在线程中调用name.set()时同时针对三个线程实例在堆区分配了三块相同的内存空间来存储Values对象，以name引用作为key，具体的object作为值存进三个不同的Object[]（参看下图）：

快速了解Java中ThreadLocal类

四、总结

ThreadLocal 不能完全解决多线程编程时的并发问题，这种问题还要根据不同的情况选择不同的解决方案，“空间换时间”还是“时间换空间”。

ThreadLocal最大的作用就是把线程共享变量转换成线程本地变量，实现线程之间的隔离。

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