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Java程式設計中的ThreadLocal詳解與源碼分析

WBOY
發布: 2023-04-21 15:19:08
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    引導語

    ThreadLocal 提供了一種方式,讓在多執行緒環境下,每個執行緒都可以擁有自己獨特的數據,並且可以在整個執行緒執行過程中,從上而下的傳遞。

    1、用法示範

    可能很多同學沒有使用過ThreadLocal,我們先來示範下ThreadLocal 的用法,demo 如下:

    /**
     * ThreadLocal 中保存的数据是 Map
     */
    static final ThreadLocal<Map<String, String>> context = new ThreadLocal<>();
    @Test
    public void testThread() {
      // 从上下文中拿出 Map
      Map<String, String> contextMap = context.get();
      if (CollectionUtils.isEmpty(contextMap)) {
        contextMap = Maps.newHashMap();
      }
      contextMap.put("key1", "value1");
      context.set(contextMap);
      log.info("key1,value1被放到上下文中");
    	// 从上下文中拿出刚才放进去的数据
      getFromComtext();
    }
    private String getFromComtext() {
      String value1 = context.get().get("key1");
      log.info("从 ThreadLocal 中取出上下文,key1 对应的值为:{}", value1);
      return value1;
    }
    //运行结果:
    demo.ninth.ThreadLocalDemo - key1,value1被放到上下文中
    demo.ninth.ThreadLocalDemo - 从 ThreadLocal 中取出上下文,key1 对应的值为:value1
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    從運行結果可以看到,key1 對應的值已經從上下文拿到了。

    getFromComtext 方法是沒有接受任何入參的,透過context.get().get(“key1”) 這行程式碼就從上下文中拿到了key1 的值,接下來我們一起來看下ThreadLocal底層是如何實現上下文的傳遞的。

    2、類別結構

    2.1、類別泛型

    ThreadLocal 定義類別時帶有泛型,說明ThreadLocal 可以儲存任意格式的數據,原始碼如下:

    public class ThreadLocal<T> {}
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    2.2、關鍵屬性

    ThreadLocal 有幾個關鍵屬性,我們一一看:

    // threadLocalHashCode 表示当前 ThreadLocal 的 hashCode,用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置
    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    // 计算 ThreadLocal 的 hashCode 值(就是递增)
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
    // static + AtomicInteger 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的
    // 被 static 修饰非常关键,因为一个线程在处理业务的过程中,ThreadLocalMap 是会被 set 多个 ThreadLocal 的,多个 ThreadLocal 就依靠 threadLocalHashCode 进行区分
    private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
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    還有一個重要屬性:ThreadLocalMap,當一個執行緒有多個ThreadLocal時,需要一個容器來管理多個ThreadLocal,ThreadLocalMap 的功能就是這個,管理線程中多個ThreadLocal。

    2.2.1、ThreadLocalMap

    ThreadLocalMap 本身就是一個簡單的Map 結構,key 是ThreadLocal,value 是ThreadLocal 儲存的值,底層是陣列的資料結構,原始碼如下:

    // threadLocalHashCode 表示当前 ThreadLocal 的 hashCode,用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置
    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    // 计算 ThreadLocal 的 hashCode 值(就是递增)
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
    // static + AtomicInteger 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的
    // 被 static 修饰非常关键,因为一个线程在处理业务的过程中,ThreadLocalMap 是会被 set 多个 ThreadLocal 的,多个 ThreadLocal 就依靠 threadLocalHashCode 进行区分
    private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
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    從原始碼看到ThreadLocalMap 其實就是一個簡單的Map 結構,底層是數組,有初始化大小,也有擴容閾值大小,數組的元素是Entry,Entry 的key 就是ThreadLocal 的引用,value 是ThreadLocal 的值。

    3、ThreadLocal 是如何做到線程之間資料隔離的

    ThreadLocal 是線程安全的,我們可以放心使用,主要因為是ThreadLocalMap 是線程的屬性,我們看下線程Thread的原始碼,如下:

    Java程式設計中的ThreadLocal詳解與源碼分析

    從上圖中,我們可以看到ThreadLocals.ThreadLocalMap 和InheritableThreadLocals.ThreadLocalMap 分別是執行緒的屬性,所以每個執行緒的ThreadLocals 都是隔離獨享的。

    父執行緒在建立子執行緒的情況下,會拷貝inheritableThreadLocals 的值,但不會拷貝threadLocals 的值,原始碼如下:

    Java程式設計中的ThreadLocal詳解與源碼分析

    從上圖中我們可以看到,在執行緒建立時,會把父執行緒的inheritableThreadLocals 屬性值進行拷貝。

    4、set 方法 

    set 方法的主要功能是往當前ThreadLocal 裡面set 值,假如當前ThreadLocal 的泛型是Map,那麼就是往當前ThreadLocal 裡面set map,原始碼如下:

    // set 操作每个线程都是串行的,不会有线程安全的问题
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 当前 thradLocal 之前有设置值,直接设置,否则初始化
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        // 初始化ThreadLocalMap
        else
            createMap(t, value);
    }
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    程式碼邏輯比較清晰,我們一起來看下ThreadLocalMap.set 的源碼,如下:

    private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
        Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        // 计算 key 在数组中的下标,其实就是 ThreadLocal 的 hashCode 和数组大小-1取余
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
     
        // 整体策略:查看 i 索引位置有没有值,有值的话,索引位置 + 1,直到找到没有值的位置
        // 这种解决 hash 冲突的策略,也导致了其在 get 时查找策略有所不同,体现在 getEntryAfterMiss 中
        for (Entry e = tab[i];
             e != null;
             // nextIndex 就是让在不超过数组长度的基础上,把数组的索引位置 + 1
             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            // 找到内存地址一样的 ThreadLocal,直接替换
            if (k == key) {
                e.value = value;
                return;
            }
            // 当前 key 是 null,说明 ThreadLocal 被清理了,直接替换掉
            if (k == null) {
                replaceStaleEntry(key, value, i);
                return;
            }
        }
        // 当前 i 位置是无值的,可以被当前 thradLocal 使用
        tab[i] = new Entry(key, value);
        int sz = ++size;
        // 当数组大小大于等于扩容阈值(数组大小的三分之二)时,进行扩容
        if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
            rehash();
    }
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    上面源碼我們注意幾點:

    • #是透過遞增的AtomicInteger 作為ThreadLocal 的hashCode 的;

    • 計算數組索引位置的公式是:hashCode 取模組大小,由於hashCode 不斷自增,所以不同的hashCode大概率上會計算到同一個陣列的索引位置(但這個不用擔心,在實際項目中,ThreadLocal 都很少,基本上不會衝突);

    • 透過hashCode 計算的索引位置i 處如果已經有值了,會從i 開始,通過1 不斷的往後尋找,直到找到索引位置為空的地方,把當前ThreadLocal 作為key 放進去。

    好在日常工作中使用 ThreadLocal 時,常常只使用 1~2 個 ThreadLocal,透過 hash 計算出重複的陣列的機率並不是很大。

    set 時的解決數組元素位置衝突的策略,也對 get 方法產生了影響,接著我們一起來看 get 方法。

    5、get 方法

    get 方法主要是從ThreadLocalMap 拿到目前ThreadLocal 儲存的值,原始碼如下:

    public T get() {
        // 因为 threadLocal 属于线程的属性,所以需要先把当前线程拿出来
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 从线程中拿到 ThreadLocalMap
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            // 从 map 中拿到 entry,由于 ThreadLocalMap 在 set 时的 hash 冲突的策略不同,导致拿的时候逻辑也不太一样
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            // 如果不为空,读取当前 ThreadLocal 中保存的值
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        // 否则给当前线程的 ThreadLocal 初始化,并返回初始值 null
        return setInitialValue();
    }
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    接著我們來看下ThreadLocalMap 的getEntry 方法,原始碼如下:

    // 得到当前 thradLocal 对应的值,值的类型是由 thradLocal 的泛型决定的
    // 由于 thradLocalMap set 时解决数组索引位置冲突的逻辑,导致 thradLocalMap get 时的逻辑也是对应的
    // 首先尝试根据 hashcode 取模数组大小-1 = 索引位置 i 寻找,找不到的话,自旋把 i+1,直到找到索引位置不为空为止
    private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
        // 计算索引位置:ThreadLocal 的 hashCode 取模数组大小-1
        int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
        Entry e = table[i];
        // e 不为空,并且 e 的 ThreadLocal 的内存地址和 key 相同,直接返回,否则就是没有找到,继续通过 getEntryAfterMiss 方法找
        if (e != null && e.get() == key)
            return e;
        else
        // 这个取数据的逻辑,是因为 set 时数组索引位置冲突造成的  
            return getEntryAfterMiss(key, i, e);
    }
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    // 自旋 i+1,直到找到为止
    private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
        Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        // 在大量使用不同 key 的 ThreadLocal 时,其实还蛮耗性能的
        while (e != null) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            // 内存地址一样,表示找到了
            if (k == key)
                return e;
            // 删除没用的 key
            if (k == null)
                expungeStaleEntry(i);
            // 继续使索引位置 + 1
            else
                i = nextIndex(i, len);
            e = tab[i];
        }
        return null;
    }
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    get 邏輯原始碼中註解已經寫的很清楚了,我們就不重複說了。

    6、擴容

    ThreadLocalMap 中的ThreadLocal 的數量超過閾值時,ThreadLocalMap 就要開始擴容了,我們一起來看下擴容的邏輯:

    //扩容
    private void resize() {
        // 拿出旧的数组
        Entry[] oldTab = table;
        int oldLen = oldTab.length;
        // 新数组的大小为老数组的两倍
        int newLen = oldLen * 2;
        // 初始化新数组
        Entry[] newTab = new Entry[newLen];
        int count = 0;
        // 老数组的值拷贝到新数组上
        for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
            Entry e = oldTab[j];
            if (e != null) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                if (k == null) {
                    e.value = null; // Help the GC
                } else {
                    // 计算 ThreadLocal 在新数组中的位置
                    int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                    // 如果索引 h 的位置值不为空,往后+1,直到找到值为空的索引位置
                    while (newTab[h] != null)
                        h = nextIndex(h, newLen);
                    // 给新数组赋值
                    newTab[h] = e;
                    count++;
                }
            }
        }
        // 给新数组初始化下次扩容阈值,为数组长度的三分之二
        setThreshold(newLen);
        size = count;
        table = newTab;
    }
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    源碼註解也比較清晰,我們注意到兩點:

    • 擴充後陣列大小是原來陣列的兩倍;

    • ##擴充時是絕對沒有執行緒安全性問題的,因為ThreadLocalMap 是執行緒的一個屬性,一個執行緒同一時刻只能對ThreadLocalMap 進行操作,因為同一個執行緒執行業務邏輯必然是串列的,那麼操作ThreadLocalMap 必然也是串列的。

    • #

    以上是Java程式設計中的ThreadLocal詳解與源碼分析的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章!

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    來源:yisu.com
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