理解ThreadLocal類

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1 ThreadLocal是什麼 早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal為解決多線程程式的並發問題提供了一種新的思路。使用這個工具類可以很簡潔地編寫出優美的多線程程式。 ThreadLocal，顧名思義，它不是一個線程，而是線程的一個本地化對象。當工作於多線程中的對象使用ThreadLocal維護變數時，ThreadLocal為每個使用該變數的線程分配一個獨立的變數副本。所以每一個線程都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其他線程所對應的副本。從線程的角度看，這個變數就像是線程的本地變數，這也是類名中“Local”所要表達的意思。
API的解釋：該類提供了 線程局部 (thread-local) 變數。這些變數不同於它們的普通對應物，因為訪問某個變數（通過其 get 或 set 方法）的每個線程都有自己的局部變數，它獨立於變數的初始化副本。 ThreadLocal 執行個體通常是類中的 private static 欄位， 它們希望將狀態與某一個線程（例如，使用者識別碼 或事務 ID）相關聯。
API提供的使用例子：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class ThreadId {// Atomic integer containing the next thread ID to be assignedprivate static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);// Thread local variable containing each thread's IDprivate static final ThreadLocal<Integer> threadId = new ThreadLocal<Integer>() {@Overrideprotected Integer initialValue() {return nextId.getAndIncrement();}};// Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessarypublic static int get() {return threadId.get();}}

每個線程都保持對其線程局部變數副本的隱式引用，只要線程是活動的並且 ThreadLocal 執行個體是可訪問的；線上程消失之後，其線程局部執行個體的所有副本都會被記憶體回收（除非存在對這些副本的其他引用）。
2 ThreadLocal類的實現與方法介紹 ThreadLocal類有4個方法如下void set(Object value) ：設定當前線程的線程局部變數的值；
public Object get()       ：該方法返回當前線程所對應的線程局部變數；
public void remove()    ：將當前線程局部變數的值刪除，目的是為了減少記憶體的佔用，該方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，當線程結束後，對應該線程的局部變數將自動被記憶體回收，所以顯式調用該方法清除線程的局部變數並不是必須的操作，但它可以加快記憶體回收的速度；
protected Object initialValue()  ：返回該線程局部變數的初始值，該方法是一個protected的方法，顯然是為了讓子類覆蓋而設計的。這個方法是一個延遲調用方法，線上程第1次調用get()或set(Object)時才執行，並且僅執行1次。ThreadLocal中的預設實現直接返回一個null。 
Java語言中，如果一個變數要被多線程訪問，可以使用volatile關鍵字聲明它為“易變的”；如果一個變數要被某個線程獨享，Java中就沒有類似C++中_declspec(thread)這樣的關鍵字，不過還是可以使用ThreadLocal類來實現執行緒區域儲存的功能。 每一個線程的Thread對象中都有一個ThreadLocalMap對象，這個Object Storage Service了一組以ThreadLocal.threadLocalHashCode為鍵，以本地線程變數為值的K-V值對，ThreadLocal對象就是當前線程的ThreadLocalMap訪問入口，每一個ThreadLocal對象都包含了一個獨一無二的threadLocalHashCode值，使用這個值就可以線上程K-V值對中找回對應的本地線程變數。
ThreadLocal是如何做到為每一個線程維護變數的副本的呢？其實實現的思路很簡單：在ThreadLocal類中有一個Map，用於儲存每一個線程的變數副本，Map中元素的鍵為線程對象，而值對應線程的變數副本。
簡單的實現版本（和jdk的實現思路類似）：

public class SimpleThreadLocal {private final Map valueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());public void set(Object newValue) {//鍵為線程對象，值為本線程的變數副本valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);}public Object get() {Thread currentThread = Thread.currentThread();//返回本線程對應的變數Object o = valueMap.get(currentThread);//如果在Map中不存在，放到Map中儲存起來if (o == null && !valueMap.containsKey(currentThread)) {o = initialValue();valueMap.put(currentThread, o);}return o;}public void remove() {valueMap.remove(Thread.currentThread());}public Object initialValue() {return null;}}

3  一個多線程例子通過一個具體的執行個體瞭解一下ThreadLocal的具體使用方法

public class SequenceNumber {// 通過匿名內部類覆蓋ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>() {@Overridepublic Integer initialValue() {return 0;}};// 擷取下一個序列值public int getNextNum() {seqNum.set(seqNum.get() + 1);return seqNum.get();}public static void main(String[] args) {SequenceNumber sn = new SequenceNumber();// 3個線程共用sn，各自產生序號TestClient t1 = new TestClient(sn);TestClient t2 = new TestClient(sn);TestClient t3 = new TestClient(sn);t1.start();t2.start();t3.start();}private static class TestClient extends Thread {private final SequenceNumber sn;public TestClient(SequenceNumber sn) {this.sn = sn;}@Overridepublic void run() {//每個線程打出3個序列值for (int i = 0; i < 3; i++) {System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName()+ "] sn[" + sn.getNextNum() + "]");}}}}

考查下面輸出的結果資訊，我們發現每個線程所產生的序號雖然都共用同一個Sequence Number執行個體，但它們並沒有發生相互幹擾的情況，而是各自產生獨立的序號，這是因為我們通過ThreadLocal為每一個線程提供了單獨的副本。 

thread[Thread-1] sn[1]thread[Thread-1] sn[2]thread[Thread-0] sn[1]thread[Thread-2] sn[1]thread[Thread-0] sn[2]thread[Thread-0] sn[3]thread[Thread-1] sn[3]thread[Thread-2] sn[2]thread[Thread-2] sn[3]

4  總結ThreadLocal本質上是從另一個角度來解決多線程的並發訪問。ThreadLocal為每一個線程提供一個獨立的變數副本，從而隔離了多個線程對訪問資料的衝突。因為每一個線程都擁有自己的變數副本，從而也就沒有必要對該變數進行同步了。 ThreadLocal提供了安全執行緒的對象封裝，在編寫多線程代碼時，可以把不安全的變數封裝進ThreadLocal。 概括起來說，對於多線程資源共用的問題， 同步機制採用了“以時間換空間”的方式：訪問序列化，對象共用化。而 ThreadLocal採用了“以空間換時間”的方式：訪問並行化，對象獨享化。前者僅提供一份變數，讓不同的線程排隊訪問，而後者為每一個線程都提供了一份變數，因此可以同時訪問而互不影響。 

參考書目：深入理解JVM，Spring3.x開發實戰