Java线程本地存储ThreadLocal

前言

• ThreadLocal 是一种 无同步 的线程安全实现
• 体现了 Thread-Specific Storage 模式：即使只有一个入口，内部也会为每个线程分配特有的存储空间，线程间 没有共享资源
• 本文将总结 ThreadLocal 的用法与实现细节，希望能帮上忙

ThreadLocal 思维导图

线程安全 示意图

1. 用法

ThreadLocal 的用法很简单， ThreadLocal 提供了下列的public与protected方法，本文将引用 android.os.Looper.java 为例子讲解 ThreadLocal 的用法：

ThradlLocal UML类图

// /frameworks/base/core/java/android/os/Looper.java

public class Looper { // ... // sThreadLocal.get() will return null unless you've called prepare(). static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>(); private static void prepare(boolean quitAllowed) { if (sThreadLocal.get() != null) { throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread"); } // 设置线程局部变量的值 sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed)); } public static Looper myLooper() { // 获取线程局部变量的值 return sThreadLocal.get(); } public static void prepare() { prepare(true); } // ... }

• ThreadLocal 为 static final变量 ，泛型参数为 Looper ，表示接受 Looper 类型的值
• Looper#prepare() 中调用 ThreadLocal#set() 设置 变量的值，不同线程设置的值互不干扰，不会相互覆盖
• Looper#myLooper() 中调用 ThreadLocal#get() 获取 变量的值，不同线程获取的值互不干扰

Timethreads图 – 01

• 子类 重写 ThreadLocal#initialValue() ，可以设置变量的初始值，我们查看相关源码：

  public ConcurrentHashMap() { this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL); } public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel) { if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0) throw new IllegalArgumentException(); if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS) concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS; // Find power-of-two sizes best matching arguments int sshift = 0; int ssize = 1; while (ssize < concurrencyLevel) { ++sshift; ssize <<= 1; } this.segmentShift = 32 - sshift;//用于高位，判断落在哪个Segment this.segmentMask = ssize - 1;//用于取模。之前在hashmap的indexFor方法有提过。2的n次方-1 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; int c = initialCapacity / ssize; if (c * ssize < initialCapacity) ++c; int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY; while (cap < c) cap <<= 1; // create segments and segments[0] Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor), (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);//初始化第一个位置的Segment Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];//初始化Segments UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0] this.segments = ss; }

  • 在 ThreadLocal#get() 中尝试获取变量的值，如果为空则会调用 ThreadLocal#setInitialValue() 设置设置初始值
  • 懒初始化 ：直到第一次调用 get() 才会设置初值
  • 默认 ：设置初始值为 null

• ThreadLocal#remove() 用于 移除 变量之前存储的值。如果在当前线程下次调用 ThreadLocal#get() 时，还没有 set() 新的值，依旧会使用 ThreadLocal#setInitialValue() 设置初始值。

到这里我们就可以总结 ThreadLocal 的生命周期，如下图所示：

ThreadLocal生命周期 示意图

2. 编程规约

记得吗？《阿里巴巴Java开发手册》中提到过关于 ThreadLocal 的编程规约，如下所示：

• 5.【强制】 SimpleDateFormate 是线程不安全的类，一般不要定义为 static 变量，如果定义为static，必须加锁，或者使用 DateUtils 工具类

  正例：

  private static final ThreadLocal<DataFormat> df = new ThreadLocal<DateFormat>(){ @Override protected DateFormat initialValue(){ return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"); } };

  说明：如果是JDK8的应用，可以使用 Instant 代替 Date ， LocalDateTime 代替 Calendar， DateTimeFormatter 代替 SimpleDateFormat ，官方给出的解释：simple beautiful strong immutable thread-safe.

• 15.【参考】（原文过于啰嗦，以下为笔者转述） ThreadLocal 变量建议使用 static 修饰，可以保证变量在类初始化时创建，所有类实例可以共享同一个静态变量。

  注意到了吗？在文章开头的Looper.java源码中， ThreadLocal 变量就是使用 static 修饰的

看到这里，相信你已经掌握了 ThreadLocal 的用法，下一篇文章将深入 ThreadLocal 的内部，探讨数据结构的实现细节。

Segment

ConcurrentHashMap是由多个Segment组成的，Segment继承了ReentrantLock，每次加锁都是对某个Segment，不会影响其他Segment，达到了锁分离（也叫分段锁）的作用。

每个Segment又包含了HashEntry数组，HashEntry是一个链表。如下图所示：

concurrencyLevel：并发数，默认16，直接影响segmentShift和segmentMask的值，以及Segment的初始化数量。Segment初始化的数量，为最接近且大于的办等于2的N次方的值，比如concurrencyLevel=16，Segment数量为16，concurrencyLevel=17，Segment数量为32。segmentShift的值是这样的，比如Segment是32，相对于2的5次方，那么他的值就是32-5，为27，后面无符号右移27位，也就是取高5位的时候，就是0到31的值，此时Segment的下标也是0到31，取模后对应着每个Segment。segmentMask就是2的n次方-1，这边n是5，用于取模。之前在hashmap的indexFor方法有提过。