线程本地存储模式：ThreadLocal

话题：线程本地存储模式：没有共享，就没有伤害

线程封闭，其本质上就是避免共享。你已经知道通过局部变量可以做到避免共享，那还有没有其他方法可以做到呢？有的，Java语言提供的线程本地存储（ThreadLocal）就能够做到。下面我们先看看ThreadLocal到底该如何使用。

ThreadLocal的使用方法

下面这个静态类ThreadId会为每个线程分配一个唯一的线程Id，如果一个线程前后两次调用ThreadId的get()方法，两次get()方法的返回值是相同的。但如果是两个线程分别调用ThreadId的get()方法，那么两个线程看到的get()方法的返回值是不同的。若你是初次接触ThreadLocal，可能会觉得奇怪，为什么相同线程调用get()方法结果就相同，而不同线程调用get()方法结果就不同呢？

static class ThreadId {
  static final AtomicLong nextId=new AtomicLong(0);
  
  //定义ThreadLocal变量
  static final ThreadLocal<Long> tl=ThreadLocal.withInitial(
    ()->nextId.getAndIncrement());
    
  //此方法会为每个线程分配一个唯一的Id
  static long get(){
    return tl.get();
  }
}

能有这个奇怪的结果，都是ThreadLocal的杰作，不过在详细解释ThreadLocal的工作原理之前，我们再看一个实际工作中可能遇到的例子来加深一下对ThreadLocal的理解。你可能知道SimpleDateFormat不是线程安全的，那如果需要在并发场景下使用它，你该怎么办呢？

其实有一个办法就是用ThreadLocal来解决，下面的示例代码就是ThreadLocal解决方案的具体实现，这段代码与前面ThreadId的代码高度相似，同样地，不同线程调用SafeDateFormat的get()方法将返回不同的SimpleDateFormat对象实例，由于不同线程并不共享SimpleDateFormat，所以就像局部变量一样，是线程安全的。

static class SafeDateFormat {
  //定义ThreadLocal变量
  static final ThreadLocal<DateFormat> tl=ThreadLocal.withInitial(
    ()-> new SimpleDateFormat(
      "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
      
  static DateFormat get(){
    return tl.get();
  }
}
//不同线程执行下面代码
//返回的df是不同的
DateFormat df = SafeDateFormat.get()；

通过上面两个例子，相信你对ThreadLocal的用法以及应用场景都了解了，下面我们就来详细解释ThreadLocal的工作原理。

ThreadLocal的工作原理

在解释ThreadLocal的工作原理之前，你先自己想想：如果让你来实现ThreadLocal的功能，你会怎么设计呢？ThreadLocal的目标是让不同的线程有不同的变量V，那最直接的方法就是创建一个Map，它的Key是线程，Value是每个线程拥有的变量V，ThreadLocal内部持有这样的一个Map就可以了。你可以参考下面的示意图和示例代码来理解。
在这里插入图片描述

class MyThreadLocal<T> {
  Map<Thread, T> locals = new ConcurrentHashMap<>();
  
  //获取线程变量  
  T get() {
    return locals.get(Thread.currentThread());
  }
  
  //设置线程变量
  void set(T t) {
    locals.put(Thread.currentThread(), t);
  }
}

那Java的ThreadLocal是这么实现的吗？这一次我们的设计思路和Java的实现差异很大。Java的实现里面也有一个Map，叫做ThreadLocalMap，不过持有ThreadLocalMap的不是ThreadLocal，而是Thread。Thread这个类内部有一个私有属性threadLocals，其类型就是ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 的Key是 ThreadLocal。你可以结合下面的示意图和精简之后的Java实现代码来理解。
在这里插入图片描述

class Thread {
  //内部持有ThreadLocalMap
  ThreadLocal.ThreadLocalMap  threadLocals;
}

class ThreadLocal<T>{

  public T get() {
    //首先获取线程持有的
    //ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map =Thread.currentThread().threadLocals;
    //在ThreadLocalMap中
    //查找变量
    Entry e = map.getEntry(this);
    return e.value;  
  }
  
  static class ThreadLocalMap{
  
    //内部是数组而不是Map
    Entry[] table;
    //根据ThreadLocal查找Entry
    Entry getEntry(ThreadLocal key){
      //省略查找逻辑
    }
    //Entry定义
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal>{
      Object value;
    }
  }
}

在这里插入图片描述

初看上去，我们的设计方案和Java的实现仅仅是Map的持有方不同而已，我们的设计里面Map属于ThreadLocal，而Java的实现里面ThreadLocalMap则是属于Thread。这两种方式哪种更合理呢？很显然Java的实现更合理一些。在Java的实现方案里面，ThreadLocal仅仅是一个代理工具类，内部并不持有任何与线程相关的数据，所有和线程相关的数据都存储在Thread里面，这样的设计容易理解。而从数据的亲缘性上来讲，ThreadLocalMap属于Thread也更加合理。

当然还有一个更加深层次的原因，那就是不容易产生内存泄露。在我们的设计方案中，ThreadLocal 持有的Map会持有Thread对象的引用，这就意味着，只要ThreadLocal对象存在，那么Map中的Thread对象就永远不会被回收。ThreadLocal的生命周期往往都比线程要长，所以这种设计方案很容易导致内存泄露。而Java的实现中Thread持有ThreadLocalMap，而且ThreadLocalMap里对ThreadLocal的引用还是弱引用（WeakReference），所以只要Thread对象可以被回收，那么ThreadLocalMap就能被回收。Java的这种实现方案虽然看上去复杂一些，但是更加安全。

Java的ThreadLocal实现应该称得上深思熟虑了，不过即便如此深思熟虑，还是不能百分百地让程序员避免内存泄露，例如在线程池中使用ThreadLocal，如果不谨慎就可能导致内存泄露。

ThreadLocal与内存泄露

在线程池中使用ThreadLocal为什么可能导致内存泄露呢？原因就出在线程池中线程的存活时间太长，往往都是和程序同生共死的，这就意味着Thread持有的ThreadLocalMap一直都不会被回收，再加上ThreadLocalMap中的Entry对ThreadLocal是弱引用（WeakReference），所以只要ThreadLocal结束了自己的生命周期是可以被回收掉的。**但是Entry中的Value却是被Entry强引用的，**所以即便Value的生命周期结束了，Value也是无法被回收的，从而导致内存泄露。

那在线程池中，我们该如何正确使用ThreadLocal呢？其实很简单，既然JVM不能做到自动释放对Value的强引用，那我们手动释放就可以了。如何能做到手动释放呢？估计你马上想到try{}finally{}方案了，这个简直就是手动释放资源的利器。示例的代码如下，你可以参考学习。

ExecutorService es;
ThreadLocal tl;

es.execute(()->{
  //ThreadLocal增加变量
  tl.set(obj);
  
  try {
    // 省略业务逻辑代码
  }finally {
    //手动清理ThreadLocal 
    tl.remove();
  }
});

InheritableThreadLocal与继承性

通过ThreadLocal创建的线程变量，其子线程是无法继承的。也就是说你在线程中通过ThreadLocal创建了线程变量V，而后该线程创建了子线程，你在子线程中是无法通过ThreadLocal来访问父线程的线程变量V的。

如果你需要子线程继承父线程的线程变量，那该怎么办呢？其实很简单，Java提供了InheritableThreadLocal来支持这种特性，InheritableThreadLocal是ThreadLocal子类，所以用法和ThreadLocal相同，这里就不多介绍了。

不过，我完全不建议你在线程池中使用InheritableThreadLocal，不仅仅是因为它具有ThreadLocal相同的缺点——可能导致内存泄露，更重要的原因是：线程池中线程的创建是动态的，很容易导致继承关系错乱，如果你的业务逻辑依赖InheritableThreadLocal，那么很可能导致业务逻辑计算错误，而这个错误往往比内存泄露更要命。

总结

线程本地存储模式本质上是一种避免共享的方案，由于没有共享，所以自然也就没有并发问题。如果你需要在并发场景中使用一个线程不安全的工具类，最简单的方案就是避免共享。避免共享有两种方案，一种方案是将这个工具类作为局部变量使用，另外一种方案就是线程本地存储模式。这两种方案，局部变量方案的缺点是在高并发场景下会频繁创建对象，而线程本地存储方案，每个线程只需要创建一个工具类的实例，所以不存在频繁创建对象的问题。

线程本地存储模式是解决并发问题的常用方案，所以Java SDK也提供了相应的实现：ThreadLocal。通过上面我们的分析，你应该能体会到Java SDK的实现已经是深思熟虑了，不过即便如此，仍不能尽善尽美，例如在线程池中使用ThreadLocal仍可能导致内存泄漏，所以使用ThreadLocal还是需要你打起精神，足够谨慎。

实际工作中，有很多平台型的技术方案都是采用ThreadLocal来传递一些上下文信息，例如Spring使用ThreadLocal来传递事务信息。

Demo

自己实现
/**
 * 始终已当前线程作为Key值
 *
 * @param <T>
 */
public class ThreadLocalSimulator<T> {//模拟器

    private final Map<Thread, T> storage = new HashMap<>();//非线程安全的集合类

    public void set(T t) {
        synchronized (this) {
            Thread key = Thread.currentThread();
            storage.put(key, t);
        }
    }


    public T get() {
        synchronized (this) {
            Thread key = Thread.currentThread();
            T value = storage.get(key);
            if (value == null) {
                return initialValue();
            }
            return value;
        }
    }

    public T initialValue() {
        return null;
    }
}

public class ContextTest {
    public static void main(String[] args) {
        IntStream.range(1, 5)
                .forEach(i ->
                        new Thread(new ExecutionTask()).start()
                );
    }
}

public class ExecutionTask implements Runnable {

    private QueryFromDBAction queryAction = new QueryFromDBAction();
    private QueryFromHttpAction httpAction = new QueryFromHttpAction();

    @Override
    public void run() {

        queryAction.execute();//这一步的查询结果set到ThreadLocal中
        System.out.println("The name query successful");
        httpAction.execute();//取出set的结果做自己的业务
        System.out.println("The card id query successful");

        Context context = ActionContext.getActionContext().getContext();
        System.out.println("The Name is " + context.getName() +
         " and CardId " + context.getCardId());
    }
}

public class QueryFromDBAction {

    public void execute() {
        try {
            Thread.sleep(1000L);
            String name = "Alex " + Thread.currentThread().getName();
            ActionContext.getActionContext().getContext().setName(name);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class QueryFromHttpAction {

    public void execute() {
        Context context = ActionContext.getActionContext().getContext();
        String name = context.getName();
        String cardId = getCardId(name);
        context.setCardId(cardId);
    }
    private String getCardId(String name) {
        try {
            Thread.sleep(1000L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return "435467523543" + Thread.currentThread().getId();
    }
}

public final class ActionContext { //写成final好些，工具类来说的话

    private static final ThreadLocal<Context> threadLocal = 
                  new ThreadLocal<Context>() {
        @Override
        protected Context initialValue() {
            return new Context();
        }
    };

    private static class ContextHolder {
        private final static ActionContext actionContext = new ActionContext();
}

    public static ActionContext getActionContext() {
        return ContextHolder.actionContext;
    }

    public Context getContext() {
        return threadLocal.get();
    }

    private ActionContext(){

    }
}

奋斗小亮

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