【高并发】多线程环境下如何保证共享变量的安全性？冰河建议你使用ThreadLocal，一文带你彻底搞懂ThreadLocal
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
如果你想进大厂，想升职加薪，或者对自己现有的工作比较迷茫，都可以私信我交流，希望我的一些经历能够帮助到大家~~
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