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谈谈ThreadLocal和解决线程安全的关系

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另一个角度理解java的ThreadLocal 这篇文章中我粗略的就我的理解谈了一下ThreadLocal。但是很多时候我们还是会认为ThreadLocal是为了解决线程安全的问题而设计的。这篇文章就我的理解再加上 另一个角度理解java的ThreadLocal 该文章中很多朋友的回复阐述一下ThreadLocal和线程安全的关系。

首先我们来看一下线程安全问题产生的两个前提条件:

  1. 数据共享。多个线程访问同样的数据。
  2. 共享数据是可变的。多个线程对访问的共享数据作出了修改。

定义一个共享数据:

public static int a = 0;

多线程多该共享数据进行修改:

private static void plus() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread() {
            public void run() {
                a++;
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("plus:" + Thread.currentThread().getName() + ": " + a);
            }
        }.start();
    }
}

输出结果:

plus:Thread-5: 5
plus:Thread-2: 5
plus:Thread-6: 5
plus:Thread-9: 5
plus:Thread-1: 6
plus:Thread-0: 8
plus:Thread-4: 8
plus:Thread-3: 10
plus:Thread-7: 10
plus:Thread-8: 10

很明显,在第一次输出a的值的时候,a的值就已经被其他线程修改到5了,显然线程不安全。

利用synchronized关键字将修改a值的地方和输出的地方上锁。让这段代码在某一个时间段内始终只有一个
线程在执行:

private static void plus() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread() {
            public void run() {
                synchronized (JavaVariable.class) {
                    a++;
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("plus:" + Thread.currentThread().getName() + ": " + a);
                }
            }
        }.start();
    }
}

输出结果:

plus:Thread-2: 1
plus:Thread-6: 2
plus:Thread-7: 3
plus:Thread-3: 4
plus:Thread-8: 5
plus:Thread-4: 6
plus:Thread-0: 7
plus:Thread-9: 8
plus:Thread-5: 9
plus:Thread-1: 10

结果正确。

那么,如果ThreadLocal是为了解决线程安全设计的,请同样用ThreadLocal解决上面的问题。即,我需要多个线程共同修改一个值,但是要保持这个值递增,就是说后面的线程不能在前一个线程还没有输出就又去修改。

当然可以尝试一下,首先定义一个ThreadLocal。

private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() {
    protected Integer initialValue() {
        return 0;
    }
};

插一句题外话:为什么threadLocal要被声明成静态的?不声明成静态的行不行?
我只是有一点儿想法,还不是很明白,所以暂且先不讨论这个话题,大家也可以思考一下,有什么高见感谢回复到文章后面。
接着上面的话题,也许可以这样:

private static void plus() throws Exception {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread() {
            public void run() {
                //1
                a = threadLocal.get();
                a++;

                //2
                threadLocal.set(a);
                System.out.println("plus:" + Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocal.get());
            }
        }.start();
    }
}

我都不想运行结果了,全部会输出1。很明显,在代码“1”的时候,每一个线程都会将threadLocal的初始值0赋值给共享变量a,因为每一个线程从threadLocal.get()拿到的值都是自己threadLocal保存的。所以,就没有所以了。
所以对于共享变量a来讲,每个线程都会首先将自己threadLocal里面的初始值0赋值给a,然后将共享变量a+1,然后将a+1的值设置到自己的ThreadLocalMap中,其他线程就访问不到了。下一个线程来的时候又会将自己threadLocal里面的初始值0赋值给a,然后将 a+1,然后… 如此周而复始。a只是被在0和1之间改来改去,最终放到每一个线程的threadLocal里面的a+1的值就不再共享。对于a这个共享变量来讲,如果在for循环创建的某线程A即将执行代码“2”之前,被其他for循环以外的某个线程改了一把。那么存到线程A的ThreadLocalMap中的值就是被改过的值了。

综上所述:
Java的ThreadLocal不是设计用来解决多线程安全问题的,事实证明也解决不了,共享变量a还是会被随意更改。ThreadLocal无能为力。所以,一般用ThreadLocal都不会将一个共享变量放到线程的ThreadLocal中。一般来讲,存放到ThreadLocal中的变量都是当前线程
本身就独一无二的一个变量。其他线程本身就不能访问,存到ThreadLocal中只是为了方便在程序中同一个线程之间传递这个变量。
所以,ThreadLocal和解决线程安全没有关系。
例如Hibernate的代码:

 public static final ThreadLocal<session> sessions =    
                                            new ThreadLocal<session>(); 
 public static Session currentSession() throws HibernateException {   
    Session s = sessions.get();   
    //如果从当前线程变量中获取的session为空,直接open一个session放到当前线程变量中。
    //值得注意的是,这里的session引用s是在方法体内声明的,属于局部变量,其他线程根本访问不到。
    //就是说,这里的session s本身就不是一个共享对象,本身就是当前线程独一无二的存在。
    //下一个线程来的时候,从sessions.get()拿出来的session s又是下一个线程的线程变量中的值。如果为空,同样创建。
    //所以,session在线程变量内部还是外部都是没有和任何线程共享的。
    if(s == null) {   
         s = sessionFactory.openSession();   
         sessions.set(s);   
    }   

补充一个问题:
当使用线程池的时候,由于ThreadLocal的设计原理是将一个ThreadLocalMap的引用作为Thread的一个属性,利用当前ThreadLocal作为key,保存的变量值作为value保存在当前线程的ThreadLocalMap中的。所以ThreadLocalMap是伴随的Thread本身的存在而存在的,只要Thread不被回收,ThreadLocalMap就存在。因此,对于线程池来讲,重复利用一个Thread就等于在重复利用Thread的ThreadLocalMap,所以ThreadLocalMap里面保存的数据可能会被多次使用。
例子:

private static void plus() {
    Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        executor.execute(new Runnable() {
            public void run() {
                a = threadLocal.get();
                threadLocal.set(++a);
                System.out.println("plus:" + Thread.currentThread().getName() + ": " + a);

            }
        });
    }
}

输出结果:

plus:pool-1-thread-1: 1
plus:pool-1-thread-1: 2
plus:pool-1-thread-1: 3
plus:pool-1-thread-1: 4
plus:pool-1-thread-1: 5
plus:pool-1-thread-1: 6
plus:pool-1-thread-1: 7
plus:pool-1-thread-1: 8
plus:pool-1-thread-1: 9
plus:pool-1-thread-2: 1

可以看出,对于线程池中的两个线程来讲,线程1一直在被重复使用,虽然每次都是从ThreadLocal获取值,但是都是同一个ThreadLocalMap,所以值是递增的。对于线程2来讲,和线程1不是一个线程,不是一个ThreadLocalMap,所以值依然是1。

线程重复利用,又不想重复利用其ThreadLocalMap中的值怎么办呢?
我的理解是:
一般情况下,我们自己用的话ThreadLocal里面都存放的是无状态的对象,只是便于在同一个线程中参数传递,所以个人认为即使重复利用也没有关系。但是如果ThreadLocal里面存放的是有状态的对象的话,在线程使用结束后直接将当前线程的ThreadLocalMap里的值设为初始值就可以了,或者直接remove掉。
比如 Struts2里面的ActionContext:

public class ActionContext implements Serializable {
    static ThreadLocal actionContext = new ThreadLocal();
    ....
    public static void setContext(ActionContext context) {
        actionContext.set(context);
    }
}

在struts2的org.apache.struts2.dispatcher.ng.filter.StrutsPrepareAndExecuteFilter类中,就会无论如何在请求结束后清除当前线程的ThreadLocalMap中的值:

} finally {
            prepare.cleanupRequest(request);
        }
public void cleanupRequest(HttpServletRequest request) {
    ActionContext.setContext(null);
}
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