【高并发】一文带你彻底搞懂threadlocal-凯发k8国际娱乐官网入口

大家好，我是冰河~~

我们都知道，在多线程环境下访问同一个共享变量，可能会出现线程安全的问题，为了保证线程安全，我们往往会在访问这个共享变量的时候加锁，以达到同步的效果，如下图所示。

对共享变量加锁虽然能够保证线程的安全，但是却增加了开发人员对锁的使用技能，如果锁使用不当，则会导致死锁的问题。而threadlocal能够做到在创建变量后，每个线程对变量访问时访问的是线程自己的本地变量。

什么是threadlocal？

threadlocal是jdk提供的，支持线程本地变量。也就是说，如果我们创建了一个threadlocal变量，则访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个本地副本。如果多个线程同时对这个变量进行读写操作时，实际上操作的是线程自己本地内存中的变量，从而避免了线程安全的问题。

threadlocal使用示例

例如，我们使用threadlocal保存并打印相关的变量信息，程序如下所示。

public class threadlocaltest {
    private static threadlocal<string> threadlocal = new threadlocal<string>();
    public static void main(string[] args){
        //创建第一个线程
        thread threada = new thread(()->{
            threadlocal.set("threada："  thread.currentthread().getname());
            system.out.println("线程a本地变量中的值为："  threadlocal.get());
        });
        //创建第二个线程
        thread threadb = new thread(()->{
            threadlocal.set("threadb："  thread.currentthread().getname());
            system.out.println("线程b本地变量中的值为："  threadlocal.get());
        });
        //启动线程a和线程b
        threada.start();
        threadb.start();
    }
}

运行程序，打印的结果信息如下所示。

线程a本地变量中的值为：threada：thread-0
线程b本地变量中的值为：threadb：thread-1

此时，我们为线程a增加删除threadlocal中的变量的操作，如下所示。

public class threadlocaltest {
    private static threadlocal<string> threadlocal = new threadlocal<string>();
    public static void main(string[] args){
        //创建第一个线程
        thread threada = new thread(()->{
            threadlocal.set("threada："  thread.currentthread().getname());
            system.out.println("线程a本地变量中的值为："  threadlocal.get());
            threadlocal.remove();
            system.out.println("线程a删除本地变量后threadlocal中的值为："  threadlocal.get());
        });
        //创建第二个线程
        thread threadb = new thread(()->{
            threadlocal.set("threadb："  thread.currentthread().getname());
            system.out.println("线程b本地变量中的值为："  threadlocal.get());
            system.out.println("线程b没有删除本地变量："  threadlocal.get());
        });
        //启动线程a和线程b
        threada.start();
        threadb.start();
    }
}

此时的运行结果如下所示。

线程a本地变量中的值为：threada：thread-0
线程b本地变量中的值为：threadb：thread-1
线程b没有删除本地变量：threadb：thread-1
线程a删除本地变量后threadlocal中的值为：null

通过上述程序我们可以看出，线程a和线程b存储在threadlocal中的变量互不干扰，线程a存储的变量只能由线程a访问，线程b存储的变量只能由线程b访问。

threadlocal原理

首先，我们看下thread类的源码，如下所示。

public class thread implements runnable {
    /***********省略n行代码*************/
    threadlocal.threadlocalmap threadlocals = null;
    threadlocal.threadlocalmap inheritablethreadlocals = null;
     /***********省略n行代码*************/
}

由thread类的源码可以看出，在threadlocal类中存在成员变量threadlocals和inheritablethreadlocals，这两个成员变量都是threadlocalmap类型的变量，而且二者的初始值都为null。只有当前线程第一次调用threadlocal的set()方法或者get()方法时才会实例化变量。

这里需要注意的是：每个线程的本地变量不是存放在threadlocal实例里面的，而是存放在调用线程的threadlocals变量里面的。也就是说，调用threadlocal的set()方法存储的本地变量是存放在具体线程的内存空间中的，而threadlocal类只是提供了set()和get()方法来存储和读取本地变量的值，当调用threadlocal类的set()方法时，把要存储的值放入调用线程的threadlocals中存储起来，当调用threadlocal类的get()方法时，从当前线程的threadlocals变量中将存储的值取出来。

接下来，我们分析下threadlocal类的set()、get()和remove()方法的实现逻辑。

set()方法

set()方法的源代码如下所示。

public void set(t value) {
    //获取当前线程
    thread t = thread.currentthread();
    //以当前线程为key，获取threadlocalmap对象
    threadlocalmap map = getmap(t);
    //获取的threadlocalmap对象不为空
    if (map != null)
        //设置value的值
        map.set(this, value);
    else
        //获取的threadlocalmap对象为空，创建thread类中的threadlocals变量
        createmap(t, value);
}

在set()方法中，首先获取调用set()方法的线程，接下来，使用当前线程作为key调用getmap(t)方法来获取threadlocalmap对象，getmap(thread t)的方法源码如下所示。

threadlocalmap getmap(thread t) {
    return t.threadlocals;
}

可以看到，getmap(thread t)方法获取的是线程变量自身的threadlocals成员变量。

在set()方法中，如果调用getmap(t)方法返回的对象不为空，则把value值设置到thread类的threadlocals成员变量中，而传递的key为当前threadlocal的this对象，value就是通过set()方法传递的值。

如果调用getmap(t)方法返回的对象为空，则程序调用createmap(t, value)方法来实例化thread类的threadlocals成员变量。

void createmap(thread t, t firstvalue) {
    t.threadlocals = new threadlocalmap(this, firstvalue);
}

也就是创建当前线程的threadlocals变量。

get()方法

get()方法的源代码如下所示。

public t get() {
    //获取当前线程
    thread t = thread.currentthread();
    //获取当前线程的threadlocals成员变量
    threadlocalmap map = getmap(t);
    //获取的threadlocals变量不为空
    if (map != null) {
        //返回本地变量对应的值
        threadlocalmap.entry e = map.getentry(this);
        if (e != null) {
            @suppresswarnings("unchecked")
            t result = (t)e.value;
            return result;
        }
    }
    //初始化threadlocals成员变量的值
    return setinitialvalue();
}

通过当前线程来获取threadlocals成员变量，如果threadlocals成员变量不为空，则直接返回当前线程绑定的本地变量，否则调用setinitialvalue()方法初始化threadlocals成员变量的值。

private t setinitialvalue() {
    //调用初始化value的方法
    t value = initialvalue();
    thread t = thread.currentthread();
    //根据当前线程获取threadlocals成员变量
    threadlocalmap map = getmap(t);
    if (map != null)
        //threadlocals不为空，则设置value值
        map.set(this, value);
    else
        //threadlocals为空,创建threadlocals变量
        createmap(t, value);
    return value;
}

其中，initialvalue()方法的源码如下所示。

protected t initialvalue() {
    return null;
}

通过initialvalue()方法的源码可以看出，这个方法可以由子类覆写，在threadlocal类中，这个方法直接返回null。

remove()方法

remove()方法的源代码如下所示。

public void remove() {
    //根据当前线程获取threadlocals成员变量
    threadlocalmap m = getmap(thread.currentthread());
    if (m != null)
        //threadlocals成员变量不为空，则移除value值
        m.remove(this);
}

remove()方法的实现比较简单，首先根据当前线程获取threadlocals成员变量，不为空，则直接移除value的值。

注意：如果调用线程一致不终止，则本地变量会一直存放在调用线程的threadlocals成员变量中，所以，如果不需要使用本地变量时，可以通过调用threadlocal的remove()方法，将本地变量从当前线程的threadlocals成员变量中删除，以免出现内存溢出的问题。

threadlocal变量不具有传递性

使用threadlocal存储本地变量不具有传递性，也就是说，同一个threadlocal在父线程中设置值后，在子线程中是无法获取到这个值的，这个现象说明threadlocal中存储的本地变量不具有传递性。

接下来，我们来看一段代码，如下所示。

public class threadlocaltest {
    private static threadlocal<string> threadlocal = new threadlocal<string>();
    public static void main(string[] args){
        //在主线程中设置值
        threadlocal.set("threadlocaltest");
        //在子线程中获取值
        thread thread = new thread(new runnable() {
            @override
            public void run() {
                system.out.println("子线程获取值："  threadlocal.get());
            }
        });
        //启动子线程
        thread.start();
        //在主线程中获取值
        system.out.println("主线程获取值："  threadlocal.get());
    }
}

运行这段代码输出的结果信息如下所示。

主线程获取值：threadlocaltest
子线程获取值：null

通过上述程序，我们可以看出在主线程中向threadlocal设置值后，在子线程中是无法获取到这个值的。那有没有办法在子线程中获取到主线程设置的值呢？此时，我们可以使用inheritablethreadlocal来解决这个问题。

inheritablethreadlocal使用示例

inheritablethreadlocal类继承自threadlocal类，它能够让子线程访问到在父线程中设置的本地变量的值，例如，我们将threadlocaltest类中的threadlocal静态变量改写成inheritablethreadlocal类的实例，如下所示。

public class threadlocaltest {
    private static threadlocal<string> threadlocal = new inheritablethreadlocal<string>();
    public static void main(string[] args){
        //在主线程中设置值
        threadlocal.set("threadlocaltest");
        //在子线程中获取值
        thread thread = new thread(new runnable() {
            @override
            public void run() {
                system.out.println("子线程获取值："  threadlocal.get());
            }
        });
        //启动子线程
        thread.start();
        //在主线程中获取值
        system.out.println("主线程获取值："  threadlocal.get());
    }
}

此时，运行程序输出的结果信息如下所示。

主线程获取值：threadlocaltest
子线程获取值：threadlocaltest

可以看到，使用inheritablethreadlocal类存储本地变量时，子线程能够获取到父线程中设置的本地变量。

inheritablethreadlocal原理

首先，我们来看下inheritablethreadlocal类的源码，如下所示。

public class inheritablethreadlocal<t> extends threadlocal<t> {
    protected t childvalue(t parentvalue) {
        return parentvalue;
    }
    threadlocalmap getmap(thread t) {
       return t.inheritablethreadlocals;
    }
    void createmap(thread t, t firstvalue) {
        t.inheritablethreadlocals = new threadlocalmap(this, firstvalue);
    }
}

由inheritablethreadlocal类的源代码可知，inheritablethreadlocal类继承自threadlocal类，并且重写了threadlocal类的childvalue()方法、getmap()方法和createmap()方法。也就是说，当调用threadlocal的set()方法时，创建的是当前thread线程的inheritablethreadlocals成员变量而不再是threadlocals成员变量。

这里，我们需要思考一个问题：inheritablethreadlocal类的childvalue()方法是何时被调用的呢？ 这就需要我们来看下thread类的构造方法了，如下所示。

public thread() {
     init(null, null, "thread-"  nextthreadnum(), 0);
 }
public thread(runnable target) {
    init(null, target, "thread-"  nextthreadnum(), 0);
}
thread(runnable target, accesscontrolcontext acc) {
    init(null, target, "thread-"  nextthreadnum(), 0, acc, false);
}
public thread(threadgroup group, runnable target) {
    init(group, target, "thread-"  nextthreadnum(), 0);
}
public thread(string name) {
    init(null, null, name, 0);
}
public thread(threadgroup group, string name) {
    init(group, null, name, 0);
}
public thread(runnable target, string name) {
    init(null, target, name, 0);
}
public thread(threadgroup group, runnable target, string name) {
    init(group, target, name, 0);
}
public thread(threadgroup group, runnable target, string name,
              long stacksize) {
    init(group, target, name, stacksize);
}

可以看到，thread类的构造方法最终调用的是init()方法，那我们就来看下init()方法，如下所示。

private void init(threadgroup g, runnable target, string name,
                      long stacksize, accesscontrolcontext acc,
                      boolean inheritthreadlocals) {
       /************省略部分源码************/
        if (inheritthreadlocals && parent.inheritablethreadlocals != null)
            this.inheritablethreadlocals =
                threadlocal.createinheritedmap(parent.inheritablethreadlocals);
        /* stash the specified stack size in case the vm cares */
        this.stacksize = stacksize;
        /* set thread id */
        tid = nextthreadid();
    }

可以看到，在init()方法中会判断传递的inheritthreadlocals变量是否为true，同时父线程中的inheritablethreadlocals是否为null，如果传递的inheritthreadlocals变量为true，同时，父线程中的inheritablethreadlocals不为null，则调用threadlocal类的createinheritedmap()方法。

static threadlocalmap createinheritedmap(threadlocalmap parentmap) {
    return new threadlocalmap(parentmap);
}

在createinheritedmap()中，使用父线程的inheritablethreadlocals变量作为参数创建新的threadlocalmap对象。然后在thread类的init()方法中会将这个threadlocalmap对象赋值给子线程的inheritablethreadlocals成员变量。

接下来，我们来看看threadlocalmap的构造函数都干了啥，如下所示。

private threadlocalmap(threadlocalmap parentmap) {
    entry[] parenttable = parentmap.table;
    int len = parenttable.length;
    setthreshold(len);
    table = new entry[len];
    for (int j = 0; j < len; j) {
        entry e = parenttable[j];
        if (e != null) {
            @suppresswarnings("unchecked")
            threadlocal<object> key = (threadlocal<object>) e.get();
            if (key != null) {
                //调用重写的childvalue方法
                object value = key.childvalue(e.value);
                entry c = new entry(key, value);
                int h = key.threadlocalhashcode & (len - 1);
                while (table[h] != null)
                    h = nextindex(h, len);
                table[h] = c;
                size;
            }
        }
    }
}

在threadlocalmap的构造函数中，调用了inheritablethreadlocal类重写的childvalue()方法。而inheritablethreadlocal类通过重写getmap()方法和createmap()方法，让本地变量保存到了thread线程的inheritablethreadlocals变量中，线程通过inheritablethreadlocal类的set()方法和get()方法设置变量时，就会创建当前线程的inheritablethreadlocals变量。此时，如果父线程创建子线程，在thread类的构造函数中会把父线程中的inheritablethreadlocals变量里面的本地变量复制一份保存到子线程的inheritablethreadlocals变量中。

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最后，附上并发编程需要掌握的核心技能知识图，祝大家在学习并发编程时，少走弯路。

写在最后

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好了，今天就到这儿吧，小伙伴们点赞、收藏、评论，一键三连走起呀，我是冰河，我们下期见~~