关于ThreadLocal的原理初步解析

一、前言
ThreadLocal 是线程的局部变量， 是每一个线程所单独持有的，其他线程不能对其进行访问。可以保证同一个线程获取的对象都是同一个，保证线程的安全问题，因为当使用ThreadLocal维护变量的时候，它为每一个使用该变量的线程提供一个独立的变量副本，即每个线程内部都会有一个该变量，这样同时多个线程访问该变量并不会彼此相互影响，因此他们使用的都是自己从内存中拷贝过来的变量的副本，也不会影响程序的执行性能。
虽然ThreadLocal能够解决线程的安全问题，但是由于在每个线程中都创建了副本，所以要考虑它对资源的消耗，比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

二、它与同步相比有什么优势
ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。
在同步机制中，通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写，什么时候需要锁定某个对象，什么时候释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。
　　而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。
　　由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象，需要强制类型转换。但JDK 5.0新的ThreadLocal版本通过泛型很好的解决了这个问题，在一定程度地简化ThreadLocal的使用。
　　概括起来说，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。
三、初识ThreadLocal
我们要学习这个ThreadLocal,就需要先了解一下这个类中的给我们提供的几个方法：
public T get() { } // 用来获取ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本
public void set(T value) { } //set()用来设置当前线程中变量的副本
public void remove() { } //remove()用来移除当前线程中变量的副本
protected T initialValue() { } //initialValue()是一个protected方法，一般是用来在使用时进行重写的
初识ThreadLocal
代码清单一：
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static AtomicInteger nextHashCode =
new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
ThreadLocal 通过 threadLocalHashCode 来标识每一个 ThreadLocal 的唯一性。threadLocalHashCode 通过 CAS 操作进行更新，每次 hash 操作的增量为 0x61c88647。
我们再来看它的get方法
代码清单二：
/**
* Returns the value in the current thread’s copy of this
* thread-local variable. If the variable has no value for the
* current thread, it is first initialized to the value returned
* by an invocation of the {@link #initialValue} method.
* @return the current thread’s value of this thread-local
/
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(); }
第一句是取得当前线程，然后通过getMap(t)方法获取到一个map，map的类型为ThreadLocalMap。获取和当前线程绑定的值时，ThreadLocalMap对象是以this指向的ThreadLocal对象为键进行查找的　所以通过ThreadLocalMap的Entry获取到<key,value>键值对，如果获取成功，则返回value值。如果map为空，则调用setInitialValue方法返回value。
这里重点跟进getMap方法
代码清单三：
/*
* Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
* InheritableThreadLocal.
* @param t the current thread
* @return the map
/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
在getMap中，是调用当期线程t，返回当前线程t中的一个成员变量threadLocals
那么Thread类中的成员变量threadLocals是什么？
代码清单四：
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
threadLocals是一个ThreadLocalMap，这个类型是ThreadLocal类的一个内部类，ThreadLocalMap的实现如下
代码清单五：
static class ThreadLocalMap {
… 省略部分代码
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/* The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}…省略部分代码
}
可以看到ThreadLocalMap的Entry继承了WeakReference，并且使用ThreadLocal作为键值。如果map为空，则调用setInitialValue方法返回value。
setInitialValue的实现如下
代码清单六：
private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
如果map不为空，就设置键值对，如果map为空，调用createMap
createMap的实现如下
代码清单七：
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
ThreadLocalMap是ThreadLocal类的一个静态内部类，它实现了键值对的设置和获取，每个线程中都有一个独立的ThreadLocalMap副本，它所存储的值，只能被当前线程读取和修改。ThreadLocal类通过操作每一个线程特有的ThreadLocalMap副本，从而实现了变量访问在不同线程中的隔离。因为每个线程的变量都是自己特有的，完全不会有并发错误。还有一点就是，ThreadLocalMap存储的键值对中的键是this对象指向的ThreadLocal对象，而值就是你所设置的对象了。
最后我们看一下set方法，就清晰很多了。
代码清单八：
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
在这个方法内部我们看到，首先通过getMap(Thread t)方法获取一个和当前线程相关的ThreadLocalMap，然后将变量的值设置到这个ThreadLocalMap对象中,其中以this指向的threadlocal对象为健值，当然如果获取到的ThreadLocalMap对象为空，就通过createMap方法创建。
四、总结
1）实际通过ThreadLocal创建的副本是存储在每个线程自己的threadLocals中的。
　　2）为何threadLocals的类型ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象，因为每个线程中可有多个threadLocal变量。
　　3）在进行get之前，必须先set，否则会报空指针异常；因为在上面的代码分析过程中，我们发现如果没有先set的话，即在map中查找不到对应的存储，则会通过调用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一个语句是T value = initialValue()， 而默认情况下，initialValue方法返回的是null。
如果想在get之前不需要调用set就能正常访问的话，必须重写initialValue()方法。