五、你有我有全都有—— ThreadLocal如何解决并发安全性？
前面我们介绍了Java当中多个线程抢占一个共享资源的问题。但不论是同步还是重入锁，都不能实实在在的解决资源紧缺的情况，这些 方案只是靠制定规则来约束线程的行为，让它们不再拼命的争抢，而不是真正从实质上解决他们对资源的需求。
在JDK 1.2当中，引入了java.lang.ThreadLocal。它为我们提供了一种全新的思路来解决线程并发的问题。但是他的名字难免让我们望 文生义：本地线程？
什么是本地线程？
本地线程开玩笑的说：不要迷恋哥，哥只是个传说。
其实ThreadLocal并非Thread at Local，而是LocalVariable in a Thread。
根据WikiPedia上的介绍，ThreadLocal其实是源于一项多线程技术，叫做Thread Local STorage，即线程本地存储技术。不仅仅是Java ，在C++、C#、.NET、Python、Ruby、Perl等开发平台上，该技术都已经得以实现。
当使用ThreadLocal维护变量时，它会为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本。也就是说，他从根本上解决的是资源数量的问题 ，从而使得每个线程持有相对独立的资源。这样，当多个线程进行工作的时候，它们不需要纠结于同步的问题，于是性能便大大提升。但 资源的扩张带来的是更多的空间消耗，ThreadLocal就是这样一种利用空间来换取时间的解决方案。
说了这么多，来看看如何正确使用ThreadLocal。
通过研究JDK文档，我们知道，ThreadLocal中有几个重要的方法：get()、set()、remove()、initailValue()，对应的含义分别是：
返回此线程局部变量的当前线程副本中的值、将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值、移除此线程局部变量当前线程的 值、返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。
还记得我们在第三篇的上半节引出的那个例子么？几个线程修改同一个Student对象中的age属性。为了保证这几个线程能够工作正常， 我们需要对Student的对象进行同步。
下面我们对这个程序进行一点小小的改造，我们通过继承Thread来实现多线程：
/** * * @author x-spirit */public class ThreadDemo3 extends Thread{ private ThreadLocal stuLocal = new ThreadLocal(); public ThreadDemo3(Student stu){ stuLocal.set(stu); } public static void main(String[] args) { Student stu = new Student(); ThreadDemo3 td31 = new ThreadDemo3(stu); ThreadDemo3 td32 = new ThreadDemo3(stu); ThreadDemo3 td33 = new ThreadDemo3(stu); td31.start(); td32.start(); td33.start(); } @Override public void run() { AccessStudent(); } public void AccessStudent() { String currentThreadName = Thread.currentThread().getName(); System.out.println(currentThreadName + " is running!"); Random random = new Random(); int age = random.nextInt(100); System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age); Student student = stuLocal.get(); student.setAge(age); System.out.println("thread " + currentThreadName + " first read age is:" + student.getAge()); try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); } System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge ()); }}
貌似这个程序没什么问题。但是运行结果却显示：这个程序中的3个线程会抛出3个空指针异常。读者一定感到很困惑。我明明在构造器 当中把Student对象 set进了ThreadLocal里面阿，为什么run起来之后居然在调用stuLocal.get()方法的时候得到的是NULL呢？
带着这个疑问，让我们深入到JDK的代码当中，去一看究竟。
原来，在ThreadLocal中，有一个内部类叫做ThreadLocalMap。这个ThreadLocalMap并非java.util.Map的一个实现，而是利用 java.lang.ref.WeakReference实现的一个键-值对应的数据结构其中，key是ThreadLocal类型，而value是Object类型，我们可以简单的视 为HashMap。
而在每一个Thread对象中，都有一个ThreadLocalMap的引用，即Thread.threadLocals。而ThreadLocal的 set方法就是首先尝试从当前 线程中取得ThreadLocalMap（以下简称Map）对象。如果取到的不为null，则以ThreadLocal对象自身为key，来取Map中的value。如果取不 到Map对象，则首先为当前线程创建一个ThreadLocalMap，然后以ThreadLocal 对象自身为key，将传入的value放入该Map中。
ThreadLocalMap getMap(Thread t) { return t.threadLocals; } public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) map.set(this, value); else createMap(t, value); }
而get方法则是首先得到当前线程的ThreadLocalMap对象，然后，根据ThreadLocal对象自身，取出相应的value。当然，如果在当前线 程中取不到ThreadLocalMap对象，则尝试为当前线程创建ThreadLocalMap对象，并以ThreadLocal对象自身为 key，把initialValue()方法 产生的对象作为value放入新创建的ThreadLocalMap中。
public T get() { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) return (T)e.value; } return setInitialValue(); } 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; } protected T initialValue() { return null; }
这样，我们就明白上面的问题出在哪里：我们在main方法执行期间，试图在调用ThreadDemo3的构造器时向ThreadLocal置入 Student对 象，而此时，以ThreadLocal对象为key，Student对象为value的Map是被放入当前的活动线程内的。也就是 Main线程。而当我们的3个 ThreadDemo3线程运行起来以后，调用get()方法，都是试图从当前的活动线程中取得 ThreadLocalMap对象，但当前的活动线程显然已经不 是Main线程了，于是，程序最终执行了ThreadLocal原生的 initialValue()方法，返回了null。
讲到这里，我想不少朋友一定已经看出来了：ThreadLocal的initialValue()方法是需要被覆盖的。
于是，ThreadLocal的正确使用方法是：将ThreadLocal以内部类的形式进行继承，并覆盖原来的initialValue()方法，在这里产生可供 线程拥有的本地变量值。
这样，我们就有了下面的正确例程：
/** * * @author x-spirit */public class ThreadDemo3 extends Thread{ private ThreadLocal stuLocal = new ThreadLocal(){ @Override protected Student initialValue() { return new Student(); } }; public ThreadDemo3(){ } public static void main(String[] args) { ThreadDemo3 td31 = new ThreadDemo3(); ThreadDemo3 td32 = new ThreadDemo3(); ThreadDemo3 td33 = new ThreadDemo3(); td31.start(); td32.start(); td33.start(); } @Override public void run() { AccessStudent(); } public void AccessStudent() { String currentThreadName = Thread.currentThread().getName(); System.out.println(currentThreadName + " is running!"); Random random = new Random(); int age = random.nextInt(100); System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age); Student student = stuLocal.get(); student.setAge(age); System.out.println("thread " + currentThreadName + " first read age is:" + student.getAge()); try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); } System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge ()); }}
********** 补疑 ******************
有的童鞋可能会问：“你这个Demo根本没体现出来，每个线程里都有一个ThreadLocal对象；应该是一个ThreadLocal对象对应多个线程 ，你这变成了一对一，完全没体现出ThreadLocal的作用。”
那么我们来看一下如何用一个ThreadLocal对象来对应多个线程：
/** *//** * * @author x-spirit */public class ThreadDemo3 implements Runnable{ private ThreadLocal stuLocal = new ThreadLocal(){ @Override protected Student initialValue() { return new Student(); } }; public ThreadDemo3(){ } public static void main(String[] args) { ThreadDemo3 td3 = new ThreadDemo3(); Thread t1 = new Thread(td3); Thread t2 = new Thread(td3); Thread t3 = new Thread(td3); t1.start(); t2.start(); t3.start(); } @Override public void run() { AccessStudent(); } public void AccessStudent() { String currentThreadName = Thread.currentThread().getName(); System.out.println(currentThreadName + " is running!"); Random random = new Random(); int age = random.nextInt(100); System.out.println("thread " + currentThreadName + " set age to:" + age); Student student = stuLocal.get(); student.setAge(age); System.out.println("thread " + currentThreadName + " first read age is:" + student.getAge()); try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); } System.out.println("thread " + currentThreadName + " second read age is:" + student.getAge ()); }}
这里，多个线程对象都使用同一个实现了Runnable接口的ThreadDemo3对象来构造。这样，多个线程使用的ThreadLocal对象就是同一个 。结果仍然是正确的。但是仔细回想一下，这两种实现方案有什么不同呢？
答案其实很简单，并没有本质上的不同。对于第一种实现，不同的线程对象当中ThreadLocalMap里面的KEY使用的是不同的 ThreadLocal对象。而对于第二种实现，不同的线程对象当中ThreadLocalMap里面的KEY是同一个ThreadLocal对象。但是从本质上讲，不同 的线程对象都是利用其自身的ThreadLocalMap对象来对各自的Student对象进行封装，用ThreadLocal对象作为该ThreadLocalMap的KEY。所 以说，“ThreadLocal的思想精髓就是为每个线程创建独立的资源副本。”这句话并不应当被理解成：一定要使用同一个ThreadLocal对象 来对多个线程进行处理。因为真正用来封装变量的不是ThreadLocal。就算是你的程序中所有线程都共用同一个ThreadLocal对象，而你真 正封装到ThreadLocalMap中去的仍然是.hashCode()方法返回不同值的不同对象。就好比线程就是房东，ThreadLocalMap就是房东的房子。 房东通过ThreadLocal这个中介去和房子里的房客打交道，而房东不管要让房客住进去还是搬出来，都首先要经过ThreadLocal这个中介。
所以提到ThreadLocal，我们不应当顾名思义的认为JDK里面提供ThreadLocal就是提供了一个用来封装本地线程存储的容器，它本身并 没有Map那样的容器功能。真正发挥作用的是ThreadLocalMap。也就是说，事实上，采用ThreadLocal来提高并发行，首先要理解，这不是 一种简单的对象封装，而是一套机制，而这套机制中的三个关键因素（Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap）之间的关系是值得我们引 起注意的。
**************** 补疑完毕 ***************************
可见，要正确使用ThreadLocal，必须注意以下几点：
1. 总是对ThreadLocal中的initialValue()方法进行覆盖。
2. 当使用set()或get()方法时牢记这两个方法是对当前活动线程中的ThreadLocalMap进行操作，一定要认清哪个是当前活动线程！
3. 适当的使用泛型，可以减少不必要的类型转换以及可能由此产生的问题。
运行该程序，我们发现：程序的执行过程只需要5秒，而如果采用同步的方法，程序的执行结果相同，但执行时间需要15秒。以前是多 个线程为了争取一个资源，不得不在同步规则的制约下互相谦让，浪费了一些时间。
现在，采用ThreadLocal机制以后，可用的资源多了，你有我有全都有，所以，每个线程都可以毫无顾忌的工作，自然就提高了并发性 ，线程安全也得以保证。
当今很多流行的开源框架也采用ThreadLocal机制来解决线程的并发问题。比如大名鼎鼎的 Struts 2.x 和 Spring 等。
把ThreadLocal这样的话题放在我们的同步机制探讨中似乎显得不是很合适。但是ThreadLocal的确为我们解决多线程的并发问题带来了 全新的思路。它为每个线程创建一个独立的资源副本，从而将多个线程中的数据隔离开来，避免了同步所产生的性能问题，是一种“以空 间换时间”的解决方案。
但这并不是说ThreadLocal就是包治百病的万能药了。如果实际的情况不允许我们为每个线程分配一个本地资源副本的话，同步还是非 常有意义的。
好了，本系列到此马上就要划上一个圆满的句号了。不知大家有什么意见和疑问没有。希望看到你们的留言。
下一讲中我们就来对之前的内容进行一个总结，顺便讨论一下被遗忘的volatile关键字。敬请期待。
第一个青春是上帝给的;第二个的青春是*自己努力的
