深入研究 java.lang.ThreadLocal 类

一、概述
在使用多线程的时候，肯定会接触到 ThreadLocal，那么 ThreadLocal 是什么呢？第一眼看见的时候，容易把它理解为本地线程，其实它并不是一个 Thread，而是 ThreadLocalVariable(线程局部变量)。线程局部变量(ThreadLocal)的功用非常简单，就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，是 Java 中一种较为特殊的线程绑定机制，每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会和其它线程的副本冲突。

从线程的角度看，每个线程都保持一个对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收（除非存在对这些副本的其他引用）。

通过 ThreadLocal 存取的数据，总是与当前线程相关，也就是说，JVM 为每个运行的线程，绑定了私有的本地实例存取空间，从而为多线程环境常出现的并发访问问题提供了一种隔离机制。

ThreadLocal 是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢？其实实现的思路很简单，在 ThreadLocal 类中有一个 Map，用于存储每一个线程的变量的副本。

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。

二、API 说明

    ThreadLocal tl = new ThreadLocal();

创建一个线程本地变量。

T get()

返回此线程局部变量的当前线程副本中的值，如果这是线程第一次调用该方法，则创建并初始化此副本。

protected  T initialValue()

返回此线程局部变量的当前线程的初始值。最多在每次访问线程来获得每个线程局部变量时调用此方法一次，即线程第一次使用 get() 方法访问变量的时候。如果线程先于 get 方法调用 set(T) 方法，则不会在线程中再调用 initialValue 方法。

若该实现只返回 null；如果程序员希望将线程局部变量初始化为 null 以外的某个值，则必须为 ThreadLocal 创建子类，并重写此方法。通常，将使用匿名内部类。initialValue 的典型实现将调用一个适当的构造方法，并返回新构造的对象。

void remove()

移除此线程局部变量的值。这可能有助于减少线程局部变量的存储需求。如果再次访问此线程局部变量，那么在默认情况下它将拥有其 initialValue。

void set(T value)

将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。许多应用程序不需要这项功能，它们只依赖于 initialValue() 方法来设置线程局部变量的值。

在程序中一般都重写 initialValue 方法，以给定一个特定的初始值。

三、典型实例

1、Hiberante 的 Session 工具类 HibernateUtil
这个类是 Hibernate 官方文档中 HibernateUtil 类，用于 session 管理。

public class HibernateUtil {
    private static Log log = LogFactory.getLog(HibernateUtil.class);
    private static final SessionFactory sessionFactory;     //定义SessionFactory

    static {
        try {
            // 通过默认配置文件hibernate.cfg.xml创建SessionFactory
            sessionFactory = new Configuration().configure().buildSessionFactory();
        } catch (Throwable ex) {
            log.error("初始化SessionFactory失败！", ex);
            throw new ExceptionInInitializerError(ex);
        }
    }

    //创建线程局部变量session，用来保存Hibernate的Session
    public static final ThreadLocal session = new ThreadLocal();

    /**
     * 获取当前线程中的Session
     * @return Session
     * @throws HibernateException
     */
    public static Session currentSession() throws HibernateException {
        Session s = (Session) session.get();
        // 如果Session还没有打开，则新开一个Session
        if (s == null) {
            s = sessionFactory.openSession();
            session.set(s);         //将新开的Session保存到线程局部变量中
        }
        return s;
    }

    public static void closeSession() throws HibernateException {
        //获取线程局部变量，并强制转换为Session类型
        Session s = (Session) session.get();
        session.set(null);
        if (s != null)
            s.close();
    }
}

在这个类中，由于没有重写 ThreadLocal 的 initialValue()方法，则首次创建线程局部变量 session 其初始值为 null，第一次调用 currentSession()的时候，线程局部变量的 get()方法也为 null。因此，对 session 做了判断，如果为 null，则新开一个 Session，并保存到线程局部变量 session 中，这一步非常的关键，这也是“public static final ThreadLocal session = new ThreadLocal()”所创建对象 session 能强制转换为 Hibernate Session 对象的原因。

2、另外一个实例
创建一个 Bean，通过不同的线程对象设置 Bean 属性，保证各个线程 Bean 对象的独立性。

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zhuxindong
 * Date: 20017-10-18
 * Time: 21:20:02
 */
public class Student {
    private int age = 0;   //年龄

    public int getAge() {
        return this.age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

/**
 * Created by IntelliJ IDEA.
 * User: zhuxindong
 * Date: 20017-10-18
 * Time: 21:20:02
 * 多线程下测试程序
 */
public class ThreadLocalDemo implements Runnable {
    //创建线程局部变量studentLocal，在后面你会发现用来保存Student对象
    private final static ThreadLocal studentLocal = new ThreadLocal();

    public static void main(String[] agrs) {
        ThreadLocalDemo td = new ThreadLocalDemo();
        Thread t1 = new Thread(td, "a");
        Thread t2 = new Thread(td, "b");
        t1.start();
        t2.start();
    }

    public void run() {
        accessStudent();
    }

    /**
     * 示例业务方法，用来测试
     */
    public void accessStudent() {
        //获取当前线程的名字
        String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(currentThreadName + " is running!");
        //产生一个随机数并打印
        Random random = new Random();
        int age = random.nextInt(100);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age);
        //获取一个Student对象，并将随机数年龄插入到对象属性中
        Student student = getStudent();
        student.setAge(age);
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " first read age is:" + student.getAge());
        try {
            Thread.sleep(500);
        }
        catch (InterruptedException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
        System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge());
    }

    protected Student getStudent() {
        //获取本地线程变量并强制转换为Student类型
        Student student = (Student) studentLocal.get();
        //线程首次执行此方法的时候，studentLocal.get()肯定为null
        if (student == null) {
            //创建一个Student对象，并保存到本地线程变量studentLocal中
            student = new Student();
            studentLocal.set(student);
        }
        return student;
    }
}

运行结果：
a is running! 
thread a set age to:76 
b is running! 
thread b set age to:27 
thread a first read age is:76 
thread b first read age is:27 
thread a second read age is:76 
thread b second read age is:27 

可以看到 a、b 两个线程 age 在不同时刻打印的值是完全相同的。这个程序通过妙用 ThreadLocal，既实现多线程并发，游兼顾数据的安全性。

四、总结

ThreadLocal 使用场合主要解决多线程中数据数据因并发产生不一致问题。ThreadLocal 为每个线程的中并发访问的数据提供一个副本，通过访问副本来运行业务，这样的结果是耗费了内存，单大大减少了线程同步所带来性能消耗，也减少了线程并发控制的复杂度。

ThreadLocal 不能使用原子类型，只能使用 Object 类型。ThreadLocal 的使用比 synchronized 要简单得多。

ThreadLocal 和 Synchonized 都用于解决多线程并发访问。但是 ThreadLocal 与 synchronized 有本质的区别。synchronized 是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问。而 ThreadLocal 为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。而 Synchronized 却正好相反，它用于在多个线程间通信时能够获得数据共享。

Synchronized 用于线程间的数据共享，而 ThreadLocal 则用于线程间的数据隔离。

当然 ThreadLocal 并不能替代 synchronized,它们处理不同的问题域。Synchronized 用于实现同步机制，比 ThreadLocal 更加复杂。

五、ThreadLocal 使用的一般步骤

1、在多线程的类（如 ThreadDemo 类）中，创建一个 ThreadLocal 对象 threadXxx，用来保存线程间需要隔离处理的对象 xxx。
2、在 ThreadDemo 类中，创建一个获取要隔离访问的数据的方法 getXxx()，在方法中判断，若 ThreadLocal 对象为 null 时候，应该 new()一个隔离访问类型的对象，并强制转换为要应用的类型。
3、在 ThreadDemo 类的 run()方法中，通过 getXxx()方法获取要操作的数据，这样可以保证每个线程对应一个数据对象，在任何时刻都操作的是这个对象。