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ThreadLocal基础及高级使用
2022-06-09 12:40:00 【little-peter】
解决线程安全问题：ThreadLocal
- ThreadLocal简介：
ThreadLocal从字面上来理解是线程本地变量的意思，也就是说它是线程中的私有变量，每个线程只能使用自己的变量。
以之前线程池格式化时间为例，当线程池中有 10 个线程时，SimpleDateFormat 会存入 ThreadLocal 中，它也只会创建 10 个对象，即使要执行 1000 次时间格式化任务，依然只会新建 10 个 SimpleDateFormat 对象，每个线程调用自己的 ThreadLocal 变量。
2.ThreadLocal的基础使用
ThreadLocal 常用的核心方法有三个：
- set 方法：用于设置线程独立变量副本。没有 set 操作的 ThreadLocal 容易引起脏数据。
- get 方法：用于获取线程独立变量副本。没有 get 操作的 ThreadLocal 对象没有意义
- remove 方法：用于移除线程独立变量副本。没有 remove 操作容易引起内存泄漏。
ThreadLocal基础使用如下：
public class ThreadLocalExample {
// 创建一个 ThreadLocal 对象
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
public static void main(String[] args) {
// 线程执行任务
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(threadName + " 存入值：" + threadName);
// 在 ThreadLocal 中设置值
threadLocal.set(threadName);
// 执行方法，打印线程中设置的值
print(threadName);
}
};
// 创建并启动线程 1
new Thread(runnable, "MyThread-1").start();
// 创建并启动线程 2
new Thread(runnable, "MyThread-2").start();
}
/**
* 打印线程中的 ThreadLocal 值
* @param threadName 线程名称
*/
private static void print(String threadName) {
try {
// 得到 ThreadLocal 中的值
String result = threadLocal.get();
// 打印结果
System.out.println(threadName + " 取出值：" + result);
} finally {
// 移除 ThreadLocal 中的值（防止内存溢出）
threadLocal.remove();
}
}
}以上程序的执行结果为：
从上述结果可以看出，每个线程只会读取到属于自己的 ThreadLocal 值
3.ThreadLocal 高级用法
① 初始化：initialValue
public class ThreadLocalByInitExample {
// 定义 ThreadLocal
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal(){
@Override
protected String initialValue() {
System.out.println("执行 initialValue() 方法");
return "默认值";
}
};
public static void main(String[] args) {
// 线程执行任务
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 执行方法，打印线程中数据（未设置值打印）
print(threadName);
}
};
// 创建并启动线程 1
new Thread(runnable, "MyThread-1").start();
// 创建并启动线程 2
new Thread(runnable, "MyThread-2").start();
}
/**
* 打印线程中的 ThreadLocal 值
* @param threadName 线程名称
*/
private static void print(String threadName) {
// 得到 ThreadLocal 中的值
String result = threadLocal.get();
// 打印结果
System.out.println(threadName + " 得到值：" + result);
}
}以上程序的执行结果为：
当使用了 #threadLocal.set 方法之后，initialValue 方法就不会被执行了，如下代码所示：
public class ThreadLocalByInitExample {
// 定义 ThreadLocal
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal() {
@Override
protected String initialValue() {
System.out.println("执行 initialValue() 方法");
return "默认值";
}
};
public static void main(String[] args) {
// 线程执行任务
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(threadName + " 存入值：" + threadName);
// 在 ThreadLocal 中设置值
threadLocal.set(threadName);
// 执行方法，打印线程中设置的值
print(threadName);
}
};
// 创建并启动线程 1
new Thread(runnable, "MyThread-1").start();
// 创建并启动线程 2
new Thread(runnable, "MyThread-2").start();
}
/**
* 打印线程中的 ThreadLocal 值
* @param threadName 线程名称
*/
private static void print(String threadName) {
try {
// 得到 ThreadLocal 中的值
String result = threadLocal.get();
// 打印结果
System.out.println(threadName + "取出值：" + result);
} finally {
// 移除 ThreadLocal 中的值（防止内存溢出）
threadLocal.remove();
}
}
}以上程序的执行结果为：
为什么 set 方法之后，初始化代码就不执行了？
要理解这个问题，需要从 ThreadLocal.get() 方法的源码中得到答案，因为初始化方法 initialValue 在 ThreadLocal 创建时并不会立即执行，而是在调用了 get 方法只会才会执行，测试代码如下：
import java.util.Date;
public class ThreadLocalByInitExample {
// 定义 ThreadLocal
private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal() {
@Override
protected String initialValue() {
System.out.println("执行 initialValue() 方法 " + new Date());
return "默认值";
}
};
public static void main(String[] args) {
// 线程执行任务
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 得到当前线程名称
String threadName = Thread.currentThread().getName();
// 执行方法，打印线程中设置的值
print(threadName);
}
};
// 创建并启动线程 1
new Thread(runnable, "MyThread-1").start();
// 创建并启动线程 2
new Thread(runnable, "MyThread-2").start();
}
/**
* 打印线程中的 ThreadLocal 值
* @param threadName 线程名称
*/
private static void print(String threadName) {
System.out.println("进入 print() 方法 " + new Date());
try {
// 休眠 1s
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 得到 ThreadLocal 中的值
String result = threadLocal.get();
// 打印结果
System.out.println(String.format("%s 取得值：%s %s",
threadName, result, new Date()));
}
}以上程序的执行结果为：
从上述打印的时间可以看出：initialValue 方法并不是在 ThreadLocal 创建时执行的，而是在调用 Thread.get 方法时才执行的。
接下来来看 Threadlocal.get 源码的实现：
public T get() {
// 得到当前的线程
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 判断 ThreadLocal 中是否有数据
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
// 有 set 值，直接返回数据
return result;
}
}
// 执行初始化方法【重点关注】
return setInitialValue();
}
private T setInitialValue() {
// 执行初始化方法【重点关注】
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}从上述源码可以看出，当 ThreadLocal 中有值时会直接返回值 e.value，只有 Threadlocal 中没有任何值时才会执行初始化方法 initialValue。
注意事项—类型必须保持一致
注意在使用 initialValue 时，返回值的类型要和 ThreadLoca 定义的数据类型保持一致，如下图所示：
如果数据不一致就会造成 ClassCaseException 类型转换异常，如下图所示：
② 初始化2：withInitial
import java.util.function.Supplier;
public class ThreadLocalByInitExample {
// 定义 ThreadLocal
private static ThreadLocal<String> threadLocal =
ThreadLocal.withInitial(new Supplier<String>() {
@Override
public String get() {
System.out.println("执行 withInitial() 方法");
return "默认值";
}
});
public static void main(String[] args) {
// 线程执行任务
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
// 执行方法，打印线程中设置的值
print(threadName);
}
};
// 创建并启动线程 1
new Thread(runnable, "MyThread-1").start();
// 创建并启动线程 2
new Thread(runnable, "MyThread-2").start();
}
/**
* 打印线程中的 ThreadLocal 值
* @param threadName 线程名称
*/
private static void print(String threadName) {
// 得到 ThreadLocal 中的值
String result = threadLocal.get();
// 打印结果
System.out.println(threadName + " 得到值：" + result);
}
}以上程序的执行结果为：
通过上述的代码发现，withInitial 方法的使用好像和 initialValue 没啥区别，那为啥还要造出两个类似的方法呢？客官莫着急，继续往下看。
③ 更简洁的 withInitial 使用
withInitial 方法的优势在于可以更简单的实现变量初始化，如下代码所示：
public class ThreadLocalByInitExample {
// 定义 ThreadLocal
private static ThreadLocal<String> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> "默认值");
public static void main(String[] args) {
// 线程执行任务
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
// 执行方法，打印线程中设置的值
print(threadName);
}
};
// 创建并启动线程 1
new Thread(runnable, "MyThread-1").start();
// 创建并启动线程 2
new Thread(runnable, "MyThread-2").start();
}
/**
* 打印线程中的 ThreadLocal 值
* @param threadName 线程名称
*/
private static void print(String threadName) {
// 得到 ThreadLocal 中的值
String result = threadLocal.get();
// 打印结果
System.out.println(threadName + " 得到值：" + result);
}
}
以上程序的执行结果为：
4.ThreadLocal 版时间格式化
了解了 ThreadLocal 的使用之后，我们回到本文的主题，接下来我们将使用 ThreadLocal 来实现 1000 个时间的格式化，具体实现代码如下：
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class MyThreadLocalByDateFormat {
// 创建 ThreadLocal 并设置默认值
private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal =
ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("mm:ss"));
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池执行任务
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 60,
TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1000));
// 执行任务
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int finalI = i;
// 执行任务
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 得到时间对象
Date date = new Date(finalI * 1000);
// 执行时间格式化
formatAndPrint(date);
}
});
}
// 线程池执行完任务之后关闭
threadPool.shutdown();
// 线程池执行完任务之后关闭
threadPool.shutdown();
}
/**
* 格式化并打印时间
* @param date 时间对象
*/
private static void formatAndPrint(Date date) {
// 执行格式化
String result = dateFormatThreadLocal.get().format(date);
// 打印最终结果
System.out.println("时间：" + result);
}
}以上程序的执行结果为：
从上述结果可以看出，使用 ThreadLocal 也可以解决线程并发问题，并且避免了代码加锁排队执行的问题。
使用场景2：跨类传递数据
除了上面的使用场景之外，我们还可以使用 ThreadLocal 来实现线程中跨类、跨方法的数据传递。比如登录用户的 User 对象信息，我们需要在不同的子系统中多次使用，如果使用传统的方式，我们需要使用方法传参和返回值的方式来传递 User 对象，然而这样就无形中造成了类和类之间，甚至是系统和系统之间的相互耦合了，所以此时我们可以使用 ThreadLocal 来实现 User 对象的传递。
确定了方案之后，接下来我们来实现具体的业务代码。我们可以先在主线程中构造并初始化一个 User 对象，并将此 User 对象存储在 ThreadLocal 中，存储完成之后，我们就可以在同一个线程的其他类中，如仓储类或订单类中直接获取并使用 User 对象了，具体实现代码如下。
public class ThreadLocalByUser {
public static void main(String[] args) {
// 初始化用户信息
User user = new User("Java");
// 将 User 对象存储在 ThreadLocal 中
UserStorage.setUser(user);
// 调用订单系统
OrderSystem orderSystem = new OrderSystem();
// 添加订单（方法内获取用户信息）
orderSystem.add();
// 调用仓储系统
RepertorySystem repertory = new RepertorySystem();
// 减库存（方法内获取用户信息）
repertory.decrement();
}
}User 实体类：
/**
* 用户实体类
*/
class User {
public User(String name) {
this.name = name;
}
private String name;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}ThreadLocal 操作类：
/**
* 用户信息存储类
*/
class UserStorage {
// 用户信息
public static ThreadLocal<User> USER = new ThreadLocal();
/**
* 存储用户信息
* @param user 用户数据
*/
public static void setUser(User user) {
USER.set(user);
}
}订单类：
/**
* 订单类
*/
class OrderSystem {
/**
* 订单添加方法
*/
public void add() {
// 得到用户信息
User user = UserStorage.USER.get();
// 业务处理代码（忽略）...
System.out.println(String.format("订单系统收到用户：%s 的请求。",
user.getName()));
}
}仓储类：
/**
* 仓储类
*/
class RepertorySystem {
/**
* 减库存方法
*/
public void decrement() {
// 得到用户信息
User user = UserStorage.USER.get();
// 业务处理代码（忽略）...
System.out.println(String.format("仓储系统收到用户：%s 的请求。",
user.getName()));
}
}
以上程序的最终执行结果：
从上述结果可以看出，当我们在主线程中先初始化了 User 对象之后，订单类和仓储类无需进行任何的参数传递也可以正常获得 User 对象了，从而实现了一个线程中，跨类和跨方法的数据传递。
总结
使用 ThreadLocal 可以创建线程私有变量，所以不会导致线程安全问题，同时使用 ThreadLocal 还可以避免因为引入锁而造成线程排队执行所带来的性能消耗；再者使用 ThreadLocal 还可以实现一个线程内跨类、跨方法的数据传递。
主线程中的业务代码：
ThreadLocal的缺点：
不可继承性，(子线程不能读取父线程的变量）脏读（ThreadPool复用，线程的复用会复用线程相关的静态变量）内存泄露：https://blog.csdn.net/qunqunstyle99/article/details/94717256
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