多线程你只会使用显式参数传递?

ThreadLocal

ThreadLocal 介绍

在多线程编程中,共享数据可能导致一系列的问题,如数据竞争和线程安全性问题。ThreadLocal(线程局部变量)是Java中一种解决多线程共享数据问题的机制。

ThreadLocal是Java中的一个类,用于提供线程本地变量。它允许你创建的变量只在访问它的线程中存在,不同线程间互不影响。每个线程都持有一个该变量的副本,而不是共享同一个实例。

在使用时可以将参数设置到 ThreadLocal 中,在任务执行时从 ThreadLocal 中获取参数。这样可以实现线程隔离的参数传递。例如:

常用的数据库连接池、Session等也是通过ThreadLocal实现的,比如:

ThreadLocal底层原理

ThreadLocal的实现原理主要依赖于Thread类中的ThreadLocalMap,这是一个由ThreadLocal作为键、值为存储的数据的Map。每个线程都有一个ThreadLocalMap实例,用于存储该线程的所有ThreadLocal变量的副本。

首先我们看下ThreadLocal的get方法:

  • 首先获取当前线程对象t, 然后从线程t中获取到ThreadLocalMap属性
  • 如果当前线程的ThreadLocalMap已经初始化(即不为null) 并且存在以当前ThreadLocal对象为Key的值, 则直接返回当前线程要获取的对象
  • 如果当前线程的ThreadLocalMap已经初始化(即不为null)但是不存在以当前ThreadLocal对象为Key的的对象, 那么重新创建一个对象, 并且添加到当前线程的ThreadLocalMap中,并返回
  • 如果当前线程的threadLocals属性还没有被初始化, 则重新创建一个ThreadLocalMap对象, 并且创建一个对象并添加到ThreadLocalMap对象中并返回

set方法也是获取当前线程对象t, 然后从线程t中获取到ThreadLocalMap属性,然后将值放在ThreadLocalMap中。

Thread类的属性如下:

ThreadLocalMap内部结构

从上可以看出ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的内部静态内部类,它负责在每个线程中维护 ThreadLocal 变量的实际存储。ThreadLocalMap 使用 Entry 类来表示每个 ThreadLocal 变量的键值对。

Entry 类

  • ThreadLocal 引用:使用弱引用 WeakReference 来持有 ThreadLocal 对象,这样可以避免内存泄漏问题。当 ThreadLocal 对象被垃圾回收时,对应的 Entry 也会被回收。
  • value 属性:存储实际的 ThreadLocal 变量值。

Entry 数组

ThreadLocalMap 内部使用一个 Entry 数组来保存所有的 ThreadLocal 变量。数组的大小是 2 的幂次方,通过哈希值与数组长度取模来确定存储位置,以提高访问效率。

由于 ThreadLocalMap 的键是弱引用,一旦 ThreadLocal 对象被垃圾回收,对应的 Entry 也会被回收,从而避免了强引用造成的内存泄漏。但要注意,如果 ThreadLocal 变量不再使用,应该及时调用 remove 方法,以便将其从 ThreadLocalMap 中移除,避免无谓的引用持续存在。

InheritableThreadLocal

itl介绍

ThreadLocal通过线程隔离解决同一个线程中参数传递的问题,在父子线程中,子线程如果想获取父线程的参数,这样就行不通了,因为前面的ThreadLocal的getMap、createMap都是对ThreadLocals进行的操作,而ThreadLocalMap又是线程私有的无法继承给子线程。好在JDK的InheritableThreadLocal为我们解决了该问题。

InheritableThreadLocal 的用法与 ThreadLocal 类似,但是它提供了一种父线程传递值给子线程的机制。以下是基本用法:

在这个示例中,子线程可以获取到主线程设置的 InheritableThreadLocal 变量的值。

itl实现原理

InheritableThreadLocal 的实现原理与 ThreadLocal 类似,都是通过在每个线程中维护一个映射(ThreadLocalMap)来实现的。但是,不同之处在于 InheritableThreadLocal 在创建子线程时,会将父线程的 InheritableThreadLocal 变量的值复制给子线程,以实现值的继承。

下面是线程初始化时会判断父线程的inheritableThreadLocals是否为空,如果不为空就将当前线程的inheritableThreadLocals设置为父线程的inheritableThreadLocals。

transmittable-thread-local

ttl介绍

如果需要在线程池中共享数据,而不会受到线程复用和数据不一致的影响,可以考虑使用 ThreadLocal 的替代方案,如使用 InheritableThreadLocal 或者在任务中显式传递参数来共享数据。

阿里巴巴开源的 TransmittableThreadLocal(TTL)。TransmittableThreadLocal类继承并加强了 JDK 内置的InheritableThreadLocal类,在使用线程池等会池化复用线程的执行组件情况下,提供ThreadLocal值的传递功能,解决异步执行时上下文传递的问题。

ttl实现原理

首先看下官网给的时序图:

我们看下TtlRunnable的核心代码:

首先调用replay对参数进行备份,然后执行逻辑,最后在finally块中对之前的参数进行还原。

总结

  • ThreadLocal:不会传递threadLocal副本到子线程中。
  • InheritableThreadLocal:在子线程创建的时候,父线程会把threadLocal拷贝到子线程中。
  • TransmittableThreadLocal:解决了InheritableThreadLocal中线程池复用线程时,变量传递的问题。
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