ThreadLocal 适合用在哪些实际生产的场景中？

约定不等于承诺〃 2023-10-04 20:48 45阅读 0赞

在通常的业务开发中，ThreadLocal有**两种典型的**使用场景

场景1，ThreadLocal 用作**保存每个线程独享的对象**，为每个线程都创建一个副本，这样每个线程都可以修改自己所拥有的副本, 而不会影响其他线程的副本，确保线程安全

场景2，ThreadLocal 用作**每个线程内需要独立保存信息**，以便**供其他方法更方便地获取**该信息的场景。每个线程获取到的信息可能都是不一样的，前面执行的方法保存了信息后，后续方法可以通过 ThreadLocal 直接获取到，避免了传参，类似于全局变量的概念

#### 典型场景1 ####

这种场景通常用于保存线程不安全的工具类，典型的需要使用的类就是 **SimpleDateFormat**

**场景介绍**

在这种情况下，每个 Thread 内都有自己的实例副本，且该副本只能由当前 Thread 访问到并使用，相当于每个线程内部的本地变量，这也是 ThreadLocal 命名的含义。因为每个线程独享副本，而不是公用的，所以**不存在多线程间共享的问题**

**SimpleDateFormat 的进化之路**

*  **2 个线程都要用到 SimpleDateFormat**

假设有个需求，即 **2 个线程**都要用到 SimpleDateFormat。代码如下所示

public class ThreadLocalDemo01 {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(() -> {
                String date = new ThreadLocalDemo01().date(1);
                System.out.println(date);
            }).start();
            Thread.sleep(100);
            new Thread(() -> {
                String date = new ThreadLocalDemo01().date(2);
                System.out.println(date);
            }).start();
        }
    
        public String date(int seconds) {
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
            return simpleDateFormat.format(date);
        }
    }

在以上代码中可以看出，两个线程分别创建了一个自己的 SimpleDateFormat 对象，如图所示

![5075f74f3257575acaceac05f01d9cfa.png][]

这样一来，有两个线程，那么就有两个 SimpleDateFormat 对象，它们之间互不干扰，这段代码是可以正常运转的，运行结果是

00:01
      00:02

*  **10 个线程都要用到 SimpleDateFormat**

假设我们的需求有了升级，不仅仅需要 2 个线程，而是需要 **10 个**，也就是说，有 10 个线程同时对应 10 个 SimpleDateFormat 对象。我们就来看下面这种写法

public class ThreadLocalDemo02 {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                int finalI = i;
                new Thread(() -> {
                    String date = new ThreadLocalDemo02().date(finalI);
                    System.out.println(date);
                }).start();
                Thread.sleep(100);
            }
        }
    
        public String date(int seconds) {
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
            return simpleDateFormat.format(date);
        }
    }

上面的代码利用了一个 for 循环来完成这个需求。for 循环一共循环 10 次，每一次都会新建一个线程，并且每一个线程都会在 date 方法中创建一个 SimpleDateFormat 对象，示意图如下

![639dd15d13ae26755800376ebf1483f2.png][]

可以看出一共有 10 个线程，对应 10 个 SimpleDateFormat 对象。代码的运行结果

00:00
    00:01
    00:02
    00:03
    00:04
    00:05
    00:06
    00:07
    00:08
    00:09

*  **需求变成了 1000 个线程都要用到 SimpleDateFormat**

但是线程不能无休地创建下去，因为线程越多，所占用的资源也会越多。假设我们需要 **1000 个**任务，那就不能再用 for 循环的方法了，而是应该使用线程池来实现线程的复用，否则会消耗过多的内存等资源。

在这种情况下，我们给出下面这个代码实现的方案

public class ThreadLocalDemo03 {
    
        public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(16);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                int finalI = i;
                threadPool.submit(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        String date = new ThreadLocalDemo03().date(finalI);
                        System.out.println(date);
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
    
        public String date(int seconds) {
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
            return dateFormat.format(date);
        }
    }

我们用了一个 16 线程的线程池，并且给这个线程池提交了 1000 次任务。每个任务中它做的事情和之前是一样的，还是去执行 date 方法，并且在这个方法中创建一个 simpleDateFormat 对象。程序的一种运行结果是（多线程下，运行结果不唯一）

00:00
    00:07
    00:04
    00:02
    ...
    16:29
    16:28
    16:27
    16:26
    16:39

程序运行结果正确，把从 00:00 到 16:39 这 1000 个时间给打印了出来，并且没有重复的时间。我们把这段代码用图形化给表示出来，如图所示

![fddd183eb0afad5f4976b717659e453a.png][]

图的左侧是一个线程池，右侧是 1000 个任务。我们刚才所做的就是每个任务都创建了一个 simpleDateFormat 对象，也就是说，1000 个任务对应 1000 个 simpleDateFormat 对象

但是这样做是没有必要的，因为**这么多对象的创建是有开销的，并且在使用完之后的销毁同样是有开销的，而且这么多对象同时存在在内存中也是一种内存的浪费**

*  **所有的线程都共用一个 simpleDateFormat 对象**

public class ThreadLocalDemo04 {
    
        public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(16);
        static SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                int finalI = i;
                threadPool.submit(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        String date = new ThreadLocalDemo04().date(finalI);
                        System.out.println(date);
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
    
        public String date(int seconds) {
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            return dateFormat.format(date);
        }
    }
    =

在代码中可以看出，其他的没有变化，变化之处就在于，我们**把这个 simpleDateFormat 对象给提取了出来，变成 static 静态变量**，需要用的时候直接去**获取这个静态对象**就可以了。看上去省略掉了创建 1000 个 simpleDateFormat 对象的开销，看上去没有问题，我们用图形的方式把这件事情给表示出来

![b05404380b1ac5fdc4ecfd1c0125506b.png][]

从图中可以看出，我们有不同的线程，并且线程会执行它们的任务。但是不同的任务所调用的 simpleDateFormat 对象都是同一个，所以它们所指向的那个对象都是同一个，但是这样一来就会有线程不安全的问题

*  **线程不安全，出现了并发安全问题**

控制台会打印出（多线程下，运行结果不唯一）

00:04
    00:04
    00:05
    00:04
    ...
    16:15
    16:14
    16:13

执行上面的代码就会发现，**控制台所打印出来的和我们所期待的是不一致的**。我们所期待的是打印出来的时间是不重复的，但是可以看出在这里出现了重复，比如第一行和第二行都是 04 秒，这就代表它内部已经出错了

*  **加锁**

出错的原因就在于，**simpleDateFormat 这个对象本身不是一个线程安全的对象**，不应该被多个线程同时访问。所以我们就想到了一个解决方案，用 **synchronized** 来加锁。于是代码就修改成下面的样子

public class ThreadLocalDemo05 {
    
        public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(16);
        static SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                int finalI = i;
                threadPool.submit(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        String date = new ThreadLocalDemo05().date(finalI);
                        System.out.println(date);
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
    
        public String date(int seconds) {
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            String s = null;
            synchronized (ThreadLocalDemo05.class) {
                s = dateFormat.format(date);
            }
            return s;
        }
    }

可以看出在 date 方法中加入了 synchronized 关键字，把 **simpleDateFormat 的调用给**上了锁

运行这段代码的结果（多线程下，运行结果不唯一）

00:00
    00:01
    00:06
    ...
    15:56
    16:37
    16:36

这样的结果是正常的，没有出现重复的时间。但是由于我们**使用了 synchronized 关键字，就会陷入一种排队的状态**，多个线程不能同时工作，这样一来，整体的效率就被大大降低了。有没有更好的解决方案呢？

我们希望达到的效果是，**既不浪费过多的内存，同时又想保证线程安全**。经过思考得出，可以**让每个线程都拥有一个自己的 simpleDateFormat 对象来达到这个目的**，这样就能两全其美了

*  **使用 ThreadLocal**

public class ThreadLocalDemo06 {
    
        public static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(16);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                int finalI = i;
                threadPool.submit(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        String date = new ThreadLocalDemo06().date(finalI);
                        System.out.println(date);
                    }
                });
            }
            threadPool.shutdown();
        }
    
        public String date(int seconds) {
            Date date = new Date(1000 * seconds);
            SimpleDateFormat dateFormat = ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal.get();
            return dateFormat.format(date);
        }
    }
    
    class ThreadSafeFormatter {
        public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
            @Override
            protected SimpleDateFormat initialValue() {
                return new SimpleDateFormat("mm:ss");
            }
        };
    }

在这段代码中，我们使用了 ThreadLocal 帮每个线程去生成它自己的 simpleDateFormat 对象，对于每个线程而言，这个对象是独享的。但与此同时，这个对象就不会创造过多，一共只有 16 个，因为线程只有 16 个

代码运行结果（多线程下，运行结果不唯一）

00:05
    00:04
    00:01
    ...
    16:37
    16:36
    16:32

这个结果是正确的，不会出现重复的时间。用图来看一下当前的这种状态

![4909c376d2ef26076f254a2231baf946.png][]

在图中的左侧可以看到，这个线程池一共有 16 个线程，对应 16 个 simpleDateFormat 对象。而在这个图画的右侧是 1000 个任务，任务是非常多的，和原来一样有 1000 个任务。但是这里最大的变化就是，**虽然任务有 1000 个，但是我们不再需要去创建 1000 个 simpleDateFormat 对象了**。即便任务再多，最终也只会有和线程数相同的 simpleDateFormat 对象。这样既高效地使用了内存，又同时保证了线程安全

#### 典型场景2 ####

每个线程内需要保存类似于全局变量的信息（例如在拦截器中获取的用户信息），可以让**不同方法直接使用，避免参数传递的麻烦却不想被多线程共享**（因为不同线程获取到的用户信息不一样）

例如，用 ThreadLocal 保存一些业务内容（用户权限信息、从用户系统获取到的用户名、用户ID 等），这些信息在同一个线程内相同，但是**不同的线程使用的业务内容是不相同的**

在线程生命周期内，都**通过这个静态 ThreadLocal 实例的 get() 方法取得自己 set 过的那个对象**，避免了将这个对象（如 user 对象）作为参数传递的麻烦

![55dddf06e5384d94df82e56e97c96429.png][]

比如说我们是一个用户系统。假设不使用 ThreadLocal，那么当一个请求进来的时候，一个线程会负责执行这个请求，然后这个请求就会依次调用 service-1()、service-2()、service-3()、service-4()，这 4 个方法可能是分布在不同的类中的

在 service-1() 的时候它会创建一个 user 的对象，用于保存比如说这个用户的用户名等信息，后面 service-2/3/4() 都需要用到这个对象的信息，比如说 service-2() 代表下订单、service-3() 代表发货、service-4() 代表完结订单，在这种情况下，每一个方法都需要用户信息，所以就需要把这个 user 对象层层传递下去，从 service-1() 传到 service-2()，再从 service-2() 传到 service-3()，以此类推

这样做会导致代码非常冗余，那有没有什么办法可以解决这个问题呢？我们首先想到的方法就是使用一个 **HashMap**，如下图所示

![64c1dc9b399aed32172cb2824b7a642b.png][]

比如说我们使用了这样的 Map 之后，就不需要把 user 对象层层传递了，而是在执行 service-1() 的时候，把这个用户信息给 put 进去，然后后面需要拿用户信息的时候，直接从静态的 User map 里面 get 就可以了。这样一来，无论你执行哪个方法，都可以直接获取到这个用户信息。当然，我们也要考虑到 web 服务器通常都是多线程的，当多个线程同时工作的时候，我们也需要保证线程安全

所以在这里，如果我们使用 HashMap 是不够的，因为它是线程不安全的，那我们就可以使用 **synchronized**，或者直接把 HashMap 替换成 **ConcurrentHashMap**，用类似的方法来保证线程安全，这样的改进如下图所示

![33647b2f89f443fb8cf9c117308b8ff8.png][]

在这个图中，可以看出有两个线程，并且每个线程所做的事情都是访问 service-1/2/3/4()。那么当它们同时运行的时候，都会同时访问这个 User map，于是就需要 User map 是线程安全的

无论我们使用 synchronized 还是使用 ConcurrentHashMap，它对性能都是有所影响的，因为即便是使用性能比较好的 ConcurrentHashMap，**它也是包含少量的同步，或者是 cas 等过程**。相比于完全没有同步，它依然是有性能损耗的。所以在此一个更好的办法就是**使用 ThreadLocal**

这样一来，我们就可以在不影响性能的情况下，也无需层层传递参数，就可以达到保存当前线程所对应的用户信息的目的。如下图所示

![34317713aeb5c5167f7927772b5a8087.png][]

在这个图中可以看出，**同样是多个线程同时去执行，但是这些线程同时去访问这个 ThreadLocal 并且能利用 ThreadLocal 拿到只属于自己的独享对象。这样的话，就无需任何额外的措施，保证了线程安全，因为每个线程是独享 user 对象的**。代码如下所示

public class ThreadLocalDemo07 {
    
        public static void main(String[] args) {
            new Service1().service1();
    
        }
    }
    
    class Service1 {
    
        public void service1() {
            User user = new User("vincent");
            UserContextHolder.holder.set(user);
            new Service2().service2();
        }
    }
    
    class Service2 {
    
        public void service2() {
            User user = UserContextHolder.holder.get();
            System.out.println("Service2拿到用户名：" + user.name);
            new Service3().service3();
        }
    }
    
    class Service3 {
    
        public void service3() {
            User user = UserContextHolder.holder.get();
            System.out.println("Service3拿到用户名：" + user.name);
            UserContextHolder.holder.remove();
        }
    }
    
    class UserContextHolder {
    
        public static ThreadLocal<User> holder = new ThreadLocal<>();
    }
    
    class User {
    
        String name;
    
        public User(String name) {
            this.name = name;
        }
    }

在这个代码中我们可以看出，我们有一个 **UserContextHolder**，里面保存了一个 ThreadLocal，在调用 Service1 的方法的时候，就往里面存入了 user 对象，而在后面去调用的时候，直接从里面用 get 方法取出来就可以了。没有参数层层传递的过程，**非常的优雅、方便**

代码运行结果

Service2拿到用户名：vincent
    Service3拿到用户名：vincent

**总结**

> 场景1，ThreadLocal 用作**保存每个线程独享的对象**，为每个线程都创建一个副本，每个线程都只能修改自己所拥有的副本, 而不会影响其他线程的副本，这样就让原本在并发情况下，线程不安全的情况变成了线程安全的情况
> 
> 场景2，ThreadLocal 用作**每个线程内需要独立保存信息**的场景，**供其他方法更方便得获取**该信息，每个线程获取到的信息都可能是不一样的，前面执行的方法设置了信息后，后续方法可以通过 ThreadLocal 直接获取到，避免了传参

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