ThreadLocal如何实现线程隔离

记得第一次接触ThreadLocal是大四的时候，在一个应用中涉及到DB操作，当时并没有接触到mybatis、hibernate以及其他jdbc持久层框架，自己手写了一个数据库连接操作，但是牵扯到多线程，一个典型的场景就是，线程A获取到连接操作正在执行业务逻辑处理，如果这时候B线程把A线程拥有的数据库连接给关闭了，那么会导致A操作异常，所以引出此篇要讨论的话题，在真实业务场景中，对于相同类型的资源，不同操作如何做到线程隔离？

早在java推出jdk1.2版本就引入了ThreadLocal，给我们在编写多线程程序时提供了一种比较好的选择。见名知意，ThreadLocal是线程私有的存储空间，也就实现了线程之间不可见不共用。稍微插一句，jvm中我们常用的存储空间是堆和栈，虚拟机也会默认为每个线程分配一个默认1M的存储空间。

一、源码分析

我们用的最多的就是默认构造器和get以及set方法：

默认构造器

/**

* Creates a thread local variable.

* @see #withInitial(java.util.function.Supplier)

*/

public ThreadLocal() {

}

get方法

/**

* Returns the value in the current thread's copy of this

* thread-local variable. If the variable has no value for the

* current thread, it is first initialized to the value returned

* by an invocation of the {@link #initialValue} method.

*

* @return the current thread's value of this thread-local

*/

public T get() {

Thread t = Thread.currentThread();

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null) {

ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);

if (e != null) {

@SuppressWarnings("unchecked")

T result = (T)e.value;

return result;

}

}

return setInitialValue();

}

简单翻译一下注释，返回当前线程副本中的thread-local变量的值，如何当前线程中该变量没有值，调用initialValue方法初始化并返回值。

从get方法中看出，先获取当前线程，然后以当前线程为key获取ThreadLocalMap，如果ThreadLocalMap不为空(已经初始化过)，从ThreadLocalMap的Entry实体中获取存储的值并返回，如果ThreadLocalMap为空或者获取到的值为null（未初始化或者初始化后未存入变量值），调用setInitialValue方法初始化并返回。

看一下getMap方法实现：

/**

* Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in

* InheritableThreadLocal.

*

* @param t the current thread

* @return the map

*/

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {

return t.threadLocals;

}

可以看到，threadLocals是线程级别的变量，进入Thread类：

注释描述道ThreadLocalMap是线程相关的变量，通过ThreadLocal可以获取到该变量。接着我们继续看刚刚的get方法，点击去ThreadLocalMap的getEntry实现，该方法入参是当前ThreadLocal对象：

该方法的作用是，根据入参key获取指定entry，该方法先提供快速的命中key的查找，如果没有命中就调用getEntryAfterMiss查找，旨在提供更好的性能和更容易的实现。获取的时候是从table数组中获取元素，看一下ThreadLocalMap以及table原理：

ThreadLocalMap是ThreadLocal一个内部静态类，ThreadLocalMap内部还有一个内部静态类Entry，Entry继承了弱依赖（此处再插一嘴弱依赖，弱依赖在每次gc回收都会被释放掉，想一下每次业务调用有一个线程提供执行完有可能线程就释放了，线程上的资源也会被gc回收），此处的Entry作用类似HashMap中的Entry，维护一个以ThreadLocal为key以具体变量值为value的键值对。然后再看getEntryAfterMiss实现：

/**

* Version of getEntry method for use when key is not found in

* its direct hash slot.

*

* @param key the thread local object

* @param i the table index for key's hash code

* @param e the entry at table[i]

* @return the entry associated with key, or null if no such

*/

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {

Entry[] tab = table;

int len = tab.length;

while (e != null) {

ThreadLocal<?> k = e.get();

if (k == key)

return e;

if (k == null)

expungeStaleEntry(i);

else

i = nextIndex(i, len);

e = tab[i];

}

return null;

}

该方法的做事是快速查找没有命中的情况下， 一种兜底查询方案。首先获取ThreadLocalMap的数组，然后获取数组长度，循环遍历数组中的元素，如果entry上存储的key和入参一致就返回，如果entry上存储的key为null，就删除过期的条目，否则继续循环。

继续回到get方法，如果找到值就结束调用返回结果，否则进入setInitialValue方法：

/**

* Variant of set() to establish initialValue. Used instead

* of set() in case user has overridden the set() method.

*

* @return the initial value

*/

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;

}

该方法的作用是，在没有初始化的情况下替代set方法初始化值。首先调用初始化方法initialValue：

protected T initialValue() {

return null;

}

默认是初始化为null，然后获取当前线程上的ThreadLocalMap，如果ThreadLocalMap已经初始化，调用set方法以当前ThreadLocal对象为key，设置值为value；否则调用createMap方法初始化ThreadLocalMap：

/**

* Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in

* InheritableThreadLocal.

*

* @param t the current thread

* @param firstValue value for the initial entry of the map

*/

void createMap(Thread t, T firstValue) {

t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);

}

该方法的作用是为当前线程创建ThreadLocalMap并设置初始化值value。到这里ThreadLocal的get方法已经分析完了，接下来看一下set方法：

/**

* Sets the current thread's copy of this thread-local variable

* to the specified value. Most subclasses will have no need to

* override this method, relying solely on the {@link #initialValue}

* method to set the values of thread-locals.

*

* @param value the value to be stored in the current thread's copy of

* this thread-local.

*/

public void set(T value) {

Thread t = Thread.currentThread();

ThreadLocalMap map = getMap(t);

if (map != null)

map.set(this, value);

else

createMap(t, value);

}

该方法和上边的setInitialValue方法比较类似，不同之处在于set方法有入参，不用初始化默认值，然后获取当前线程并获取线程变量ThreadLocalMap，如果ThreadLocalMap不为空就以当前ThreadLocal对象为key以入参为value设置内容，否则初始化当前线程的ThreadLocalMap变量并设置默认值。

二、实现原理分析

前边我们从代码层面分析了ThreadLocal的实现原理，接下来结合真实场景来分析ThreadLocal实现线程隔离的原理：

如图中所描述，不同的请求过来后第一次调用ThreadLocal的get或者set方法会触发当前线程的ThreadLocalMap变量初始化并设置默认值，而ThreadLocal能够实现线程隔离的核心是因为ThreadLocal底层操作的是Thread上的变量，当前当前线程对自己内存空间上的任何变量都是线程安全的。

总结

此篇通过解析ThreadLocal源码并结合实际场景详细分析了其实现线程隔离的原理，首先依赖于jvm为不同线程都分配内存空间，其次依赖于Thread上的ThreadLocalMap变量，在线程第一次调用ThreadLocal的get或者set方法时对其进行初始化。