高并发编程中ThreadLocal的使用

ktkiko11

已于 2025-01-12 14:19:39 修改

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分类专栏：高并发学习文章标签： java 数据结构 jvm 开发语言

于 2025-01-11 19:48:27 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_53926113/article/details/145081329

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一、什么是ThreadLocal？

1. 定义：ThreadLocal是什么？

ThreadLocal 是 Java 提供的一个类，它用于为每个线程提供独立的变量副本。也就是说，每个线程在访问 ThreadLocal 时，都会得到一个属于自己的变量值，而不会与其他线程共享这个值。它的核心作用就是提供 线程局部存储（Thread Local Storage，简称 TLS）。

在多线程环境中，多个线程通常会访问共享的资源。为了避免线程安全问题，我们通常会使用锁机制来确保在同一时刻只有一个线程能访问共享资源。但是，如果每个线程都有自己的副本，并且每个线程都只能访问自己线程内的副本，这就能避免线程之间的干扰，也无需使用锁，从而提升了程序的性能。

2. 功能：ThreadLocal的作用

ThreadLocal 主要解决了以下两个问题：

无锁编程：
- 多线程程序中，线程通常会访问共享的资源。如果没有适当的同步措施（如锁），就会引发线程安全问题。使用 ThreadLocal 可以让每个线程都拥有一个独立的变量副本，这样线程之间就没有数据竞争，也就避免了使用锁来保护共享资源的复杂性。
规避线程安全问题：
- 在线程共享数据时（例如在多线程环境下的全局变量），若多个线程同时读写这些数据，可能会发生数据污染和线程安全问题。使用 ThreadLocal 后，每个线程都会拥有独立的数据副本，保证了每个线程的数据互不干扰。这样即使在多线程环境中，依然可以避免并发写操作产生的线程安全问题。

3. ThreadLocal如何工作：

为了更好理解 ThreadLocal，我们来看它的实现机制。

线程局部变量：每个线程都有一个自己的 ThreadLocalMap（可以看作是一个线程私有的哈希表）。当线程第一次使用某个 ThreadLocal 变量时，会在这个 ThreadLocalMap 中创建一个新的 entry（条目），并将该线程的变量与该线程对应的 ThreadLocal 键关联起来。
每个线程的私有副本：不同的线程在访问同一个 ThreadLocal 变量时，实际上每个线程都访问到自己的私有副本。一个线程改变自己的副本并不会影响到其他线程的副本。

举个简单的例子：

ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

// 在线程1中，设置ThreadLocal变量
threadLocal.set(100);

// 在线程2中，设置ThreadLocal变量
threadLocal.set(200);

// 获取ThreadLocal变量的值
System.out.println(threadLocal.get());  // 会打印出线程当前的ThreadLocal值，线程1输出100，线程2输出200

注意： threadLocal.get() 返回的是当前线程对应的独立副本的值，不会影响其他线程的副本。

4. 为什么ThreadLocal是线程安全的？

每个线程独立存储副本：由于 ThreadLocal 为每个线程提供独立的存储空间，每个线程的值都被隔离开来，因此线程之间不会发生冲突。不同线程访问 ThreadLocal 时不会互相干扰。
没有共享数据：传统的多线程程序中，线程通常需要访问共享资源，在多线程同时操作时，容易出现线程安全问题。而 ThreadLocal 不同，它保证了每个线程有自己独立的副本，不会与其他线程共享数据，因此不需要加锁，也就避免了线程安全问题。

小结

ThreadLocal 是为每个线程提供独立变量副本的工具，避免了多线程环境下的线程安全问题。
它通过 ThreadLocalMap 实现每个线程独立存储变量，线程访问时会获取到自己的副本。
通过 ThreadLocal，我们可以轻松地在多线程环境中使用线程局部变量，而不需要担心线程安全问题。

二、ThreadLocal与Map的关系

1. ThreadLocal可以理解为一个Map

我们可以将 ThreadLocal 看作是一个简单的映射，每个线程有一个与之对应的变量副本。为了便于理解，我们可以将 ThreadLocal 视作一个包含多个线程和它们对应数据副本的映射关系。实际上，ThreadLocal 是通过一个特殊的结构（即 ThreadLocalMap）来实现这个映射的。

为了让你更清楚地理解，可以用以下比喻：

假设有一个 ThreadLocal，它是一个多线程程序中的公共资源，像一个“容器”。而每个线程都像是一个“客户”，每个“客户”来取自己的东西——在这个容器中，ThreadLocal 为每个线程提供一个独立的副本。

这就类似于一个 Map，键是线程（Thread），值是该线程的 ThreadLocal 存储副本。

在 Java 中，ThreadLocalMap 就是存储这种映射关系的实际结构，它以每个线程为“键”，以该线程对应的 ThreadLocal 变量副本为“值”。

2. ThreadLocalMap：存储每个线程的副本

Java 在底层使用了 ThreadLocalMap 来存储每个线程的 ThreadLocal 变量。每个线程都有一个 ThreadLocalMap，它用来存储当前线程的 ThreadLocal 变量的副本。

ThreadLocalMap 实际上是一个 ThreadLocal 类型作为 key，线程对应的变量副本作为 value 的映射关系。每个线程通过 ThreadLocal.get() 来访问与之相关的副本。
ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 类的一个内部类，它是线程内部使用的，不会与其他线程共享，因此也不需要考虑线程安全问题。

代码示例：

// 创建一个ThreadLocal对象
ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

// 设置线程1的ThreadLocal变量
threadLocal.set(100);

// 获取线程1的ThreadLocal变量
System.out.println(threadLocal.get());  // 输出100

// 在另一个线程中设置ThreadLocal变量
new Thread(() -> {
    threadLocal.set(200);
    System.out.println(threadLocal.get());  // 输出200
}).start();

在上述代码中，虽然两个线程使用的是同一个 threadLocal 对象，但是每个线程的 get() 方法都返回了它自己线程内存储的副本：

线程1 获取到 100，这是线程1的副本值。
线程2 获取到 200，这是线程2的副本值。

这就是 ThreadLocalMap 如何为每个线程独立存储数据的工作原理。

3. ThreadLocalMap的实现：基于弱引用

T hreadLocalMap 的一个细节是它使用了 弱引用（WeakReference）来引用 ThreadLocal 变量。这意味着 ThreadLocal 变量不会防止垃圾回收器回收该变量。如果一个 ThreadLocal 变量没有任何强引用指向它，那么它就可能被垃圾回收器回收掉。

为什么要用弱引用？

防止内存泄漏：假设一个 ThreadLocal 变量长时间不再使用（比如在使用完后没有手动调用 remove()），如果它被强引用持有的话，即使它不再被使用，垃圾回收器也不会回收它，这就可能导致内存泄漏。而使用 弱引用 后，垃圾回收器可以更容易地回收这些不再使用的变量，防止内存泄漏。