概述
我們知道Spring通過各種DAO模板類降低了開發(fā)者使用各種數(shù)據(jù)持久技術(shù)的難度。這些模板類都是線程安全的，也就是說，多個DAO可以復(fù)用同一個模板實例而不會發(fā)生沖突。
我們使用模板類訪問底層數(shù)據(jù)，根據(jù)持久化技術(shù)的不同，模板類需要綁定數(shù)據(jù)連接或會話的資源。但這些資源本身是非線程安全的，也就是說它們不能在同一時刻被多個線程共享。
雖然模板類通過資源池獲取數(shù)據(jù)連接或會話，但資源池本身解決的是數(shù)據(jù)連接或會話的緩存問題，并非數(shù)據(jù)連接或會話的線程安全問題。
按照傳統(tǒng)經(jīng)驗，如果某個對象是非線程安全的，在多線程環(huán)境下，對對象的訪問必須采用synchronized進(jìn)行線程同步。但Spring的DAO模板類并未采用線程同步機(jī)制，因為線程同步限制了并發(fā)訪問，會帶來很大的性能損失。
此外，通過代碼同步解決性能安全問題挑戰(zhàn)性很大，可能會增強(qiáng)好幾倍的實現(xiàn)難度。那模板類究竟仰丈何種魔法神功，可以在無需同步的情況下就化解線程安全的難題呢？答案就是ThreadLocal！
ThreadLocal在Spring中發(fā)揮著重要的作用，在管理request作用域的Bean、事務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、AOP等模塊都出現(xiàn)了它們的身影，起著舉足輕重的作用。要想了解Spring事務(wù)管理的底層技術(shù)，ThreadLocal是必須攻克的山頭堡壘。
ThreadLocal是什么
早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal，ThreadLocal為解決多線程程序的并發(fā)問題提供了一種新的思路。使用這個工具類可以很簡潔地編寫出優(yōu)美的多線程程序。
ThreadLocal很容易讓人望文生義，想當(dāng)然地認(rèn)為是一個“本地線程”。其實，ThreadLocal并不是一個Thread，而是Thread的局部變量，也許把它命名為ThreadLocalVariable更容易讓人理解一些。
當(dāng)使用ThreadLocal維護(hù)變量時，ThreadLocal為每個使用該變量的線程提供獨立的變量副本，所以每一個線程都可以獨立地改變自己的副本，而不會影響其它線程所對應(yīng)的副本。
從線程的角度看，目標(biāo)變量就象是線程的本地變量，這也是類名中“Local”所要表達(dá)的意思。
線程局部變量并不是Java的新發(fā)明，很多語言（如IBM IBM XL FORTRAN）在語法層面就提供線程局部變量。在Java中沒有提供在語言級支持，而是變相地通過ThreadLocal的類提供支持。
所以，在Java中編寫線程局部變量的代碼相對來說要笨拙一些，因此造成線程局部變量沒有在Java開發(fā)者中得到很好的普及。
ThreadLocal的接口方法
ThreadLocal類接口很簡單，只有4個方法，我們先來了解一下：
void set(Object value)
設(shè)置當(dāng)前線程的線程局部變量的值。
public Object get()
該方法返回當(dāng)前線程所對應(yīng)的線程局部變量。
public void remove()
將當(dāng)前線程局部變量的值刪除，目的是為了減少內(nèi)存的占用，該方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，當(dāng)線程結(jié)束后，對應(yīng)該線程的局部變量將自動被垃圾回收，所以顯式調(diào)用該方法清除線程的局部變量并不是必須的操作，但它可以加快內(nèi)存回收的速度。
protected Object initialValue()
返回該線程局部變量的初始值，該方法是一個protected的方法，顯然是為了讓子類覆蓋而設(shè)計的。這個方法是一個延遲調(diào)用方法，在線程第1次調(diào)用get()或set(Object)時才執(zhí)行，并且僅執(zhí)行1次。ThreadLocal中的缺省實現(xiàn)直接返回一個null。
值得一提的是，在JDK5.0中，ThreadLocal已經(jīng)支持泛型，該類的類名已經(jīng)變?yōu)?/font>ThreadLocal<T>。API方法也相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整，新版本的API方法分別是void set(T value)、T get()以及T initialValue()。
ThreadLocal是如何做到為每一個線程維護(hù)變量的副本的呢？其實實現(xiàn)的思路很簡單：在ThreadLocal類中有一個Map，用于存儲每一個線程的變量副本，Map中元素的鍵為線程對象，而值對應(yīng)線程的變量副本。我們自己就可以提供一個簡單的實現(xiàn)版本：
代碼清單1 SimpleThreadLocal
public class SimpleThreadLocal {
private Map valueMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
public void set(Object newValue) {
valueMap.put(Thread.currentThread(), newValue);①鍵為線程對象，值為本線程的變量副本
}
public Object get() {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
Object o = valueMap.get(currentThread);②返回本線程對應(yīng)的變量
if (o == null && !valueMap.containsKey(currentThread)) {③如果在Map中不存在，放到Map
中保存起來。
o = initialValue();
valueMap.put(currentThread, o);
}
return o;
}
public void remove() {
valueMap.remove(Thread.currentThread());
}
public Object initialValue() {
return null;
}
}
雖然代碼清單9?3這個ThreadLocal實現(xiàn)版本顯得比較幼稚，但它和JDK所提供的ThreadLocal類在實現(xiàn)思路上是相近的。
一個TheadLocal實例
下面，我們通過一個具體的實例了解一下ThreadLocal的具體使用方法。
代碼清單2 SequenceNumber
package com.baobaotao.basic;
public class SequenceNumber {
①通過匿名內(nèi)部類覆蓋ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
private static ThreadLocal<Integer> seqNum = new ThreadLocal<Integer>(){
public Integer initialValue(){
return 0;
}
};
②獲取下一個序列值
public int getNextNum(){
seqNum.set(seqNum.get()+1);
return seqNum.get();
}
public static void main(String[] args)
{
SequenceNumber sn = new SequenceNumber();
③ 3個線程共享sn，各自產(chǎn)生序列號
TestClient t1 = new TestClient(sn);
TestClient t2 = new TestClient(sn);
TestClient t3 = new TestClient(sn);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
private static class TestClient extends Thread
{
private SequenceNumber sn;
public TestClient(SequenceNumber sn) {
this.sn = sn;
}
public void run()
{
for (int i = 0; i < 3; i++) {④每個線程打出3個序列值
System.out.println("thread["+Thread.currentThread().getName()+
"] sn["+sn.getNextNum()+"]");
}
}
}
}
通常我們通過匿名內(nèi)部類的方式定義ThreadLocal的子類，提供初始的變量值，如例子中①處所示。TestClient線程產(chǎn)生一組序列號，在③處，我們生成3個TestClient，它們共享同一個SequenceNumber實例。運行以上代碼，在控制臺上輸出以下的結(jié)果：
thread[Thread-2] sn[1]
thread[Thread-0] sn[1]
thread[Thread-1] sn[1]
thread[Thread-2] sn[2]
thread[Thread-0] sn[2]
thread[Thread-1] sn[2]
thread[Thread-2] sn[3]
thread[Thread-0] sn[3]
thread[Thread-1] sn[3]
考察輸出的結(jié)果信息，我們發(fā)現(xiàn)每個線程所產(chǎn)生的序號雖然都共享同一個SequenceNumber實例，但它們并沒有發(fā)生相互干擾的情況，而是各自產(chǎn)生獨立的序列號，這是因為我們通過ThreadLocal為每一個線程提供了單獨的副本。
Thread同步機(jī)制的比較
ThreadLocal和線程同步機(jī)制相比有什么優(yōu)勢呢？ThreadLocal和線程同步機(jī)制都是為了解決多線程中相同變量的訪問沖突問題。
在同步機(jī)制中，通過對象的鎖機(jī)制保證同一時間只有一個線程訪問變量。這時該變量是多個線程共享的，使用同步機(jī)制要求程序慎密地分析什么時候?qū)ψ兞窟M(jìn)行讀寫，什么時候需要鎖定某個對象，什么時候釋放對象鎖等繁雜的問題，程序設(shè)計和編寫難度相對較大。
而ThreadLocal則從另一個角度來解決多線程的并發(fā)訪問。ThreadLocal會為每一個線程提供一個獨立的變量副本，從而隔離了多個線程對數(shù)據(jù)的訪問沖突。因為每一個線程都擁有自己的變量副本，從而也就沒有必要對該變量進(jìn)行同步了。ThreadLocal提供了線程安全的共享對象，在編寫多線程代碼時，可以把不安全的變量封裝進(jìn)ThreadLocal。
由于ThreadLocal中可以持有任何類型的對象，低版本JDK所提供的get()返回的是Object對象，需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。但JDK 5.0通過泛型很好的解決了這個問題，在一定程度地簡化ThreadLocal的使用，代碼清單 9 2就使用了JDK 5.0新的ThreadLocal<T>版本。
概括起來說，對于多線程資源共享的問題，同步機(jī)制采用了“以時間換空間”的方式，而ThreadLocal采用了“以空間換時間”的方式。前者僅提供一份變量，讓不同的線程排隊訪問，而后者為每一個線程都提供了一份變量，因此可以同時訪問而互不影響。
Spring使用ThreadLocal解決線程安全問題
我們知道在一般情況下，只有無狀態(tài)的Bean才可以在多線程環(huán)境下共享，在Spring中，絕大部分Bean都可以聲明為singleton作用域。就是因為Spring對一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非線程安全狀態(tài)采用ThreadLocal進(jìn)行處理，讓它們也成為線程安全的狀態(tài)，因為有狀態(tài)的Bean就可以在多線程中共享了。
一般的Web應(yīng)用劃分為展現(xiàn)層、服務(wù)層和持久層三個層次，在不同的層中編寫對應(yīng)的邏輯，下層通過接口向上層開放功能調(diào)用。在一般情況下，從接收請求到返回響應(yīng)所經(jīng)過的所有程序調(diào)用都同屬于一個線程，如圖9?2所示：
圖1同一線程貫通三層
這樣你就可以根據(jù)需要，將一些非線程安全的變量以ThreadLocal存放，在同一次請求響應(yīng)的調(diào)用線程中，所有關(guān)聯(lián)的對象引用到的都是同一個變量。
下面的實例能夠體現(xiàn)Spring對有狀態(tài)Bean的改造思路：
代碼清單3 TopicDao：非線程安全
public class TopicDao {
private Connection conn;①一個非線程安全的變量
public void addTopic(){
Statement stat = conn.createStatement();②引用非線程安全變量
…
}
}
由于①處的conn是成員變量，因為addTopic()方法是非線程安全的，必須在使用時創(chuàng)建一個新TopicDao實例（非singleton）。下面使用ThreadLocal對conn這個非線程安全的“狀態(tài)”進(jìn)行改造：
代碼清單4 TopicDao：線程安全
import java.sql.Connection;
import java.sql.Statement;
public class TopicDao {
①使用ThreadLocal保存Connection變量
private static ThreadLocal<Connection> connThreadLocal = new ThreadLocal<Connection>();
public static Connection getConnection(){
②如果connThreadLocal沒有本線程對應(yīng)的Connection創(chuàng)建一個新的Connection，
并將其保存到線程本地變量中。
if (connThreadLocal.get() == null) {
Connection conn = ConnectionManager.getConnection();
connThreadLocal.set(conn);
return conn;
}else{
return connThreadLocal.get();③直接返回線程本地變量
}
}
public void addTopic() {
④從ThreadLocal中獲取線程對應(yīng)的Connection
Statement stat = getConnection().createStatement();
}
}
不同的線程在使用TopicDao時，先判斷connThreadLocal.get()是否是null，如果是null，則說明當(dāng)前線程還沒有對應(yīng)的Connection對象，這時創(chuàng)建一個Connection對象并添加到本地線程變量中；如果不為null，則說明當(dāng)前的線程已經(jīng)擁有了Connection對象，直接使用就可以了。這樣，就保證了不同的線程使用線程相關(guān)的Connection，而不會使用其它線程的Connection。因此，這個TopicDao就可以做到singleton共享了。
當(dāng)然，這個例子本身很粗糙，將Connection的ThreadLocal直接放在DAO只能做到本DAO的多個方法共享Connection時不發(fā)生線程安全問題，但無法和其它DAO共用同一個Connection，要做到同一事務(wù)多DAO共享同一Connection，必須在一個共同的外部類使用ThreadLocal保存Connection。但這個實例基本上說明了Spring對有狀態(tài)類線程安全化的解決思路。
小結(jié)
ThreadLocal是解決線程安全問題一個很好的思路，它通過為每個線程提供一個獨立的變量副本解決了變量并發(fā)訪問的沖突問題。在很多情況下，ThreadLocal比直接使用synchronized同步機(jī)制解決線程安全問題更簡單，更方便，且結(jié)果程序擁有更高的并發(fā)性。
原文出處：http://www.builder.com.cn/2007/0529/404698.shtml