java并发编程学习: ThreadLocal使用及原理

多线程应用中，如果希望一个变量隔离在某个线程内，即：该变量只能由某个线程本身可见，其它线程无法访问，那么ThreadLocal可以很方便的帮你做到这一点。 

先来看一下示例：

package yjmyzz.test;

public class ThreadLocalTest1 {

    public static class MyRunnable implements Runnable {

        private ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>();

        @Override
        public void run() {
            threadLocal.set((int) (Math.random() * 100D));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new MyRunnable(), "A");
        Thread t2 = new Thread(new MyRunnable(), "B");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果：

B:48
A:32

即：线程A与线程B中ThreadLocal保存的整型变量是各自独立的，互不相干，只要在每个线程内部使用set方法赋值，然后在线程内部使用get就能取到对应的值。

把这个示例稍微变化一下：

package yjmyzz.test;

public class ThreadLocalTest2 {

    public static class MyRunnable implements Runnable {

        private ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>();

        public MyRunnable(){
            threadLocal.set((int) (Math.random() * 100D));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new MyRunnable(), "A");
        Thread t2 = new Thread(new MyRunnable(), "B");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

把ThreadLocal赋值的地方放在了MyRunnable的构造函数中，然后在run方法中读取该值，看下结果：

main:1
main:47
A:null
B:null

思考一下：为什么会这样？ MyRunnable的构造函数是由main主线程调用的，所以TheadLocal的set方法，实际上是在main主线程的环境中完成的，因此也只能在main主线程中get到，而run方法运行的上下文是子线程本身，由于run方法中并没有使用set方法赋值，因此get到的是默认空值null.

ThreadLocal还有一个派生的子类：InheritableThreadLocal ，可以允许线程及该线程创建的子线程均可以访问同一个变量(有些OOP中的proteced的意味)，这么解释可能理解起来比较费劲，还是直接看代码吧：

package yjmyzz.test;

public class ThreadLocalTest3 {

    private static InheritableThreadLocal<Integer> threadLocal = new InheritableThreadLocal<Integer>();

    public static class MyRunnable implements Runnable {

        private String _name = "";

        public MyRunnable(String name) {
            _name = name;
            System.out.println(name + " => " + Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        threadLocal.set(1);

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());
        Thread t1 = new Thread(new MyRunnable("R-A"), "A");
        Thread t2 = new Thread(new MyRunnable("R-B"), "B");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

main:1
R-A => main:1
R-B => main:1
A:1
B:1

观察下结果，在主线程main中设置了一个InheritableThreadLocal实例，并在main主线程中设置了值1，然后main主线程及二个子线程t1,t2均正常get到了该值。 

实现原理：

可以观察下ThreadLocal及Thread的源码，大致了解其实现原理：

ThreadLocal类的get方法

    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();
    }

从代码上看，主要思路如下：

1.取当前线程

2.取得ThreadLocalMap类（先不管这个的实现，从命名上看，理解成一个Map<K,V>容器即可）

3.如果Map容器不为空，则根据ThreadLocal自身的HashCode(见后面的继续分析)取得对应的Entry(即Map里的k-v元素对)

4.如果entry不为空，则返回值

5.如果Map容器为空，则设置初始值

继续顺藤摸瓜：

ThreadLocal的getMap及ThreadLocalMap的getEntry方法

    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

可以发现getMap其实取的是Thread实例t上的一个属性，继续看Thread的代码：

    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    /*
     * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
     * maintained by the InheritableThreadLocal class.
     */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

说明每个Thread内部都维护着二个ThreadLocalMap，一个应对threadLocals(即：一个Thread内部可以有多个ThreadLocal实例)，另一个对应着 inheritableThreadLocals，再看ThreadLocal.ThreadLocalMap的getEntry方法

        private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
            int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
            Entry e = table[i];
            if (e != null && e.get() == key)
                return e;
            else
                return getEntryAfterMiss(key, i, e);
        }

从这里看，ThreadLocalMap的key是基于ThreadLocal的Hashcode与内部table的长度-1做位运算的整数值，只要有个印象，threadLocalMap的key跟ThreadLocal实例的hashcode有关即可。

最后看看ThreadLocal的setInitialValue方法：

    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;
    }

先根据当前线程实例t，找到内部维护的ThreadLocalMap容器，如果容器为空，则创建Map实例，否则直接把值放进去（Key跟ThreadLocal实例本身的hashCode相关）

根据以上分析，对于ThreadLocal的内部实现，其主要思路总结如下：

1. 每个Thread实例内部，有二个ThreadLocalMap的K-V容器实例（分别对应threadLocals及inheritableThreadLocals）, 容器的元素数量，即为Thread实例里的ThreadLocal实例个数

2. ThreadLocalMap里的每个Entry的Key与ThreadLocal实例的HashCode相关（这样，多个ThreadLocal实例就不会搞混）

3. 每个ThreadLocal实例使用set赋值时，实际上是在ThreadLocalMap容器里，添加(或更新)一条Entry信息

4. 每个ThreadLocal实例使用get取值时，从ThreadLocalMap里根据key取出value 

参考文章：

http://qifuguang.me/2015/09/02/[Java并发包学习七]解密ThreadLocal/

http://ifeve.com/java-threadlocal%e7%9a%84%e4%bd%bf%e7%94%a8/