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從面試中的問題分析ThreadLocal

 更新時(shí)間:2019年06月10日 14:21:31   作者:Misout  
這篇文章主要介紹了從面試中的問題分析ThreadLocal,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,下面我們來一起學(xué)習(xí)一下吧

ThreadLocal是什么

ThreadLocal是一個(gè)本地線程副本變量工具類。主要用于將私有線程和該線程存放的副本對象做一個(gè)映射,各個(gè)線程之間的變量互不干擾,在高并發(fā)場景下,可以實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)的調(diào)用,特別適用于各個(gè)線程依賴不通的變量值完成操作的場景。

從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)入手

下圖為ThreadLocal的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從上面的結(jié)構(gòu)圖,我們已經(jīng)窺見ThreadLocal的核心機(jī)制:

  • 每個(gè)Thread線程內(nèi)部都有一個(gè)Map。
  • Map里面存儲線程本地對象(key)和線程的變量副本(value)
  • 但是,Thread內(nèi)部的Map是由ThreadLocal維護(hù)的,由ThreadLocal負(fù)責(zé)向map獲取和設(shè)置線程的變量值。

所以對于不同的線程,每次獲取副本值時(shí),別的線程并不能獲取到當(dāng)前線程的副本值,形成了副本的隔離,互不干擾。

Thread線程內(nèi)部的Map在類中描述如下:

public class Thread implements Runnable {
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

深入解析ThreadLocal

ThreadLocal類提供如下幾個(gè)核心方法:

public T get()
public void set(T value)
public void remove()
  • get()方法用于獲取當(dāng)前線程的副本變量值。
  • set()方法用于保存當(dāng)前線程的副本變量值。
  • initialValue()為當(dāng)前線程初始副本變量值。
  • remove()方法移除當(dāng)前前程的副本變量值。

get()方法

/**
* 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)
return (T)e.value;
}
return setInitialValue();
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
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;
}
protected T initialValue() {
return null;
}

步驟:

1.獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap對象threadLocals

2.從map中獲取線程存儲的K-V Entry節(jié)點(diǎn)。

3.從Entry節(jié)點(diǎn)獲取存儲的Value副本值返回。

4.map為空的話返回初始值null,即線程變量副本為null,在使用時(shí)需要注意判斷NullPointerException。

set()方法

/**
* Sets the current thread's copy of this thread-local variable
* to the specified value. Most subclasses will have no need to
* override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
* method to set the values of thread-locals.
*
* @param value the value to be stored in the current thread's copy of
* this thread-local.
*/
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

步驟:

1.獲取當(dāng)前線程的成員變量map

2.map非空,則重新將ThreadLocal和新的value副本放入到map中。

3.map空,則對線程的成員變量ThreadLocalMap進(jìn)行初始化創(chuàng)建,并將ThreadLocal和value副本放入map中。

remove()方法

/**
* Removes the current thread's value for this thread-local
* variable. If this thread-local variable is subsequently
* {@linkplain #get read} by the current thread, its value will be
* reinitialized by invoking its {@link #initialValue} method,
* unless its value is {@linkplain #set set} by the current thread
* in the interim. This may result in multiple invocations of the
* <tt>initialValue</tt> method in the current thread.
*
* @since 1.5
*/
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}

remove方法比較簡單,不做贅述。

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的內(nèi)部類,沒有實(shí)現(xiàn)Map接口,用獨(dú)立的方式實(shí)現(xiàn)了Map的功能,其內(nèi)部的Entry也獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。

在ThreadLocalMap中,也是用Entry來保存K-V結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的。但是Entry中key只能是ThreadLocal對象,這點(diǎn)被Entry的構(gòu)造方法已經(jīng)限定死了。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}

Entry繼承自WeakReference(弱引用,生命周期只能存活到下次GC前),但只有Key是弱引用類型的,Value并非弱引用。

ThreadLocalMap的成員變量:

static class ThreadLocalMap {
/**
* The initial capacity -- MUST be a power of two.
*/
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* The table, resized as necessary.
* table.length MUST always be a power of two.
*/
private Entry[] table;
/**
* The number of entries in the table.
*/
private int size = 0;

/**
* The next size value at which to resize.
*/
private int threshold; // Default to 0
}

Hash沖突怎么解決

和HashMap的最大的不同在于,ThreadLocalMap結(jié)構(gòu)非常簡單,沒有next引用,也就是說ThreadLocalMap中解決Hash沖突的方式并非鏈表的方式,而是采用線性探測的方式,所謂線性探測,就是根據(jù)初始key的hashcode值確定元素在table數(shù)組中的位置,如果發(fā)現(xiàn)這個(gè)位置上已經(jīng)有其他key值的元素被占用,則利用固定的算法尋找一定步長的下個(gè)位置,依次判斷,直至找到能夠存放的位置。

ThreadLocalMap解決Hash沖突的方式就是簡單的步長加1或減1,尋找下一個(gè)相鄰的位置。

/**
* Increment i modulo len.
*/
private static int nextIndex(int i, int len) {
return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}
/**
* Decrement i modulo len.
*/
private static int prevIndex(int i, int len) {
return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}

顯然ThreadLocalMap采用線性探測的方式解決Hash沖突的效率很低,如果有大量不同的ThreadLocal對象放入map中時(shí)發(fā)送沖突,或者發(fā)生二次沖突,則效率很低。

所以這里引出的良好建議是:每個(gè)線程只存一個(gè)變量,這樣的話所有的線程存放到map中的Key都是相同的ThreadLocal,如果一個(gè)線程要保存多個(gè)變量,就需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)ThreadLocal,多個(gè)ThreadLocal放入Map中時(shí)會極大的增加Hash沖突的可能。

ThreadLocalMap的問題

由于ThreadLocalMap的key是弱引用,而Value是強(qiáng)引用。這就導(dǎo)致了一個(gè)問題,ThreadLocal在沒有外部對象強(qiáng)引用時(shí),發(fā)生GC時(shí)弱引用Key會被回收,而Value不會回收,如果創(chuàng)建ThreadLocal的線程一直持續(xù)運(yùn)行,那么這個(gè)Entry對象中的value就有可能一直得不到回收,發(fā)生內(nèi)存泄露。

如何避免泄漏

既然Key是弱引用,那么我們要做的事,就是在調(diào)用ThreadLocal的get()、set()方法時(shí)完成后再調(diào)用remove方法,將Entry節(jié)點(diǎn)和Map的引用關(guān)系移除,這樣整個(gè)Entry對象在GC Roots分析后就變成不可達(dá)了,下次GC的時(shí)候就可以被回收。
如果使用ThreadLocal的set方法之后,沒有顯示的調(diào)用remove方法,就有可能發(fā)生內(nèi)存泄露,所以養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣十分重要,使用完ThreadLocal之后,記得調(diào)用remove方法。

ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();
try {
threadLocal.set(new Session(1, "Misout的博客"));
// 其它業(yè)務(wù)邏輯
} finally {
threadLocal.remove();
}

應(yīng)用場景

還記得Hibernate的session獲取場景嗎?

private static final ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();
//獲取Session
public static Session getCurrentSession(){
Session session = threadLocal.get();
//判斷Session是否為空,如果為空,將創(chuàng)建一個(gè)session,并設(shè)置到本地線程變量中
try {
if(session ==null&&!session.isOpen()){
if(sessionFactory==null){
rbuildSessionFactory();// 創(chuàng)建Hibernate的SessionFactory
}else{
session = sessionFactory.openSession();
}
}
threadLocal.set(session);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}
return session;
}

為什么?每個(gè)線程訪問數(shù)據(jù)庫都應(yīng)當(dāng)是一個(gè)獨(dú)立的Session會話,如果多個(gè)線程共享同一個(gè)Session會話,有可能其他線程關(guān)閉連接了,當(dāng)前線程再執(zhí)行提交時(shí)就會出現(xiàn)會話已關(guān)閉的異常,導(dǎo)致系統(tǒng)異常。此方式能避免線程爭搶Session,提高并發(fā)下的安全性。

使用ThreadLocal的典型場景正如上面的數(shù)據(jù)庫連接管理,線程會話管理等場景,只適用于獨(dú)立變量副本的情況,如果變量為全局共享的,則不適用在高并發(fā)下使用。

總結(jié)

  • 每個(gè)ThreadLocal只能保存一個(gè)變量副本,如果想要上線一個(gè)線程能夠保存多個(gè)副本以上,就需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)ThreadLocal。
  • ThreadLocal內(nèi)部的ThreadLocalMap鍵為弱引用,會有內(nèi)存泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。
  • 適用于無狀態(tài),副本變量獨(dú)立后不影響業(yè)務(wù)邏輯的高并發(fā)場景。如果如果業(yè)務(wù)邏輯強(qiáng)依賴于副本變量,則不適合用ThreadLocal解決,需要另尋解決方案。

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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