ThreadLocal实现线程安全

Spring通过各种模板类降低了开发者使用各种数据持久技术的难度。这些模板类都是线程安全的，也就是说，多个DAO可以复用同一个模板实例而不会发生冲突。我们使用模板类访问底层数据，根据持久化技术的不同，模板类需要绑定数据连接或会话的资源。但这些资源本身是非线程安全的，也就是说它们不能在同一时刻被多个线程共享。虽然模板类通过资源池获取数据连接或会话，但资源池本身解决的是数据连接或会话的缓存问题，并非数据连接或会话的线程安全问题。
按照传统经验，如果某个对象是非线程安全的，在多线程环境下，对对象的访问必须采用synchronized进行线程同步。但模板类并未采用线程同步机制，因为线程同步会降低并发性，影响系统性能。此外，通过代码同步解决线程安全的挑战性很大，可能会增强好几倍的实现难度。那么模板类究竟仰仗何种魔法神功，可以在无须线程同步的情况下就化解线程安全的难题呢？答案就是ThreadLocal！
ThreadLocal在Spring中发挥着重要的作用，在管理request作用域的Bean、事务管理、任务调度、AOP等模块都出现了它们的身影，起着举足轻重的作用。

ThreadLocal是什么

早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。
ThreadLocal，顾名思义，它不是一个线程，而是线程的一个本地化对象。当工作于多线程中的对象使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程分配一个独立的变量副本。所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其他线程所对应的副本。从线程的角度看，这个变量就像是线程的本地变量，这也是类名中“Local”所要表达的意思。

线程局部变量并不是Java的新发明，很多语言（如IBM XL、FORTRAN）在语法层面就提供线程局部变量。在Java中没有提供语言级支持，而以一种变通的方法，通过ThreadLocal的类提供支持。所以，在Java中编写线程局部变量的代码相对来说要笨拙一些，这也是为什么线程局部变量没有在Java开发者中得到很好普及的原因。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下。

void set(Object value) 设置当前线程的线程局部变量的值；
public Object get() 该方法返回当前线程所对应的线程局部变量；
public void remove() 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度；
protected Object initialValue() 返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的默认实现直接返回一个null。

值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已经支持泛型，该类的类名已经变为ThreadLocal<T>。API方法也相应进行了调整，新版本的API方法分别是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。

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副本，Map中元素的键为线程对象，而值对应线程的变量副本。

一个TheadLocal实例
我们通过一个具体的实例了解一下ThreadLocal的具体使用方法。

1package cn.chinotan.service.thredLocal;
2
3import com.google.common.util.concurrent.ThreadFactoryBuilder;
4
5import java.util.concurrent.*;
6
7/**
8 * @program: test
9 * @description: thredLocalDemo
10 * @author: xingcheng
11 * @create: 2018-09-09 17:13
12 **/
13public class ThreadLocalDemo {
14
15    static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){
16        // 进行初始化
17        @Override
18        protected Integer initialValue() {
19            return 0;
20        }
21    };
22
23    static Integer countRef = 0;
24
25    private Integer getNextCount() {
26        count.set(count.get() + 1);
27        return count.get();
28    }
29
30    private Integer getNextCountRef() {
31        countRef = countRef + 1;
32        return countRef;
33    }
34    
35    public static void main(String[] args) {
36        ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
37                .setNameFormat("demo-pool-%d").build();
38        ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(10, 10,
39                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
40                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(), namedThreadFactory);
41
42        ThreadLocalDemo threadLocalDemo = new ThreadLocalDemo();
43        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
44        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
45        executorService.execute(new CountRun(threadLocalDemo));
46        
47        // 参照
48        ThreadLocalDemo threadLocalDemoRef = new ThreadLocalDemo();
49        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));
50        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));
51        executorService.execute(new CountRunRef(threadLocalDemoRef));
52
53        executorService.shutdown();
54    }
55    
56    static class CountRun implements Runnable{
57
58        private ThreadLocalDemo demo;
59
60        public CountRun(ThreadLocalDemo dem) {
61            demo = dem;
62        }
63
64        @Override
65        public void run() {
66            for(int i = 0; i < 3; i++){
67                System.out.println("thread[" + Thread.currentThread().getName()+ "] count [" + demo.getNextCount() + "]");
68            }
69        }
70    }
71
72    static class CountRunRef extends Thread{
73
74        private ThreadLocalDemo demo;
75
76        public CountRunRef(ThreadLocalDemo dem) {
77            demo = dem;
78        }
79
80        @Override
81        public void run() {
82            for(int i = 0; i < 3; i++){
83                System.out.println("threadRef[" + Thread.currentThread().getName()+ "] count [" + demo.getNextCountRef() + "]");
84            }
85        }
86    }
87}

输出：

考查输出的结果信息，我们发现每个线程所产生的序号虽然都共享同一个Sequence Number实例，但它们并没有发生相互干扰的情况，而是各自产生独立的序列号，这是因为我们通过ThreadLocal为每一个线程提供了单独的副本。

与Thread同步机制的比较

ThreadLocal和线程同步机制相比有什么优势呢？ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

在同步机制中，通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的，使用同步机制要求程序缜密地分析什么时候对变量进行读写，什么时候需要锁定某个对象，什么时候释放对象锁等繁杂的问题，程序设计和编写难度相对较大。

而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对访问数据的冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本，从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的对象封装，在编写多线程代码时，可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

由于ThreadLocal中可以持有任何类型的对象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object对象，需要强制类型转换。但JDK 5.0通过泛型很好的解决了这个问题，在一定程度上简化ThreadLocal的使用，代码清单9-2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。

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：访问串行化，对象共享化。而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式：访问并行化，对象独享化。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。

Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题

我们知道在一般情况下，只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域。就是因为Spring对一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非线程安全的“状态性对象”采用ThreadLocal进行封装，让它们也成为线程安全的“状态性对象”，因此有状态的Bean就能够以singleton的方式在多线程中正常工作了。

一般的Web应用划分为展现层、服务层和持久层三个层次，在不同的层中编写对应的逻辑，下层通过接口向上层开放功能调用。在一般情况下，从接收请求到返回响应所经过的所有程序调用都同属于一个线程，这样用户就可以根据需要，将一些非线程安全的变量以ThreadLocal存放，在同一次请求响应的调用线程中，所有对象所访问的同一ThreadLocal变量都是当前线程所绑定的。

ThreadLocal实现线程安全

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