利用 ThreadLocal 提高可伸縮性

ThreadLocal 類是悄悄地出現(xiàn)在 Java 平臺(tái)版本 1.2 中的。雖然支持線程局部變量早就是許多線程工具（例如 Posix pthreads 工具）的一部分，但 Java Threads API 的最初設(shè)計(jì)卻沒有這項(xiàng)有用的功能。而且，最初的實(shí)現(xiàn)也相當(dāng)?shù)托АＳ捎谶@些原因，ThreadLocal 極少受到關(guān)注，但對(duì)簡(jiǎn)化線程安全并發(fā)程序的開發(fā)來說，它卻是很方便的。在輕松使用線程的第 3 部分，Java 軟件顧問 Brian Goetz 研究了 ThreadLocal 并提供了一些使用技巧。
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編寫線程安全類是困難的。它不但要求仔細(xì)分析在什么條件可以對(duì)變量進(jìn)行讀寫，而且要求仔細(xì)分析其它類能如何使用某個(gè)類。有時(shí)，要在不影響類的功能、易用性或性能的情況下使類成為線程安全的是很困難的。有些類保留從一個(gè)方法調(diào)用到下一個(gè)方法調(diào)用的狀態(tài)信息，要在實(shí)踐中使這樣的類成為線程安全的是困難的。

管理非線程安全類的使用比試圖使類成為線程安全的要更容易些。非線程安全類通常可以安全地在多線程程序中使用，只要您能確保一個(gè)線程所用的類的實(shí)例不被其它線程使用。例如，JDBC Connection 類是非線程安全的 — 兩個(gè)線程不能在小粒度級(jí)上安全地共享一個(gè) Connection — 但如果每個(gè)線程都有它自己的 Connection，那么多個(gè)線程就可以同時(shí)安全地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。

不使用 ThreadLocal 為每個(gè)線程維護(hù)一個(gè)單獨(dú)的 JDBC 連接（或任何其它對(duì)象）當(dāng)然是可能的；Thread API 給了我們把對(duì)象和線程聯(lián)系起來所需的所有工具。而 ThreadLocal 則使我們能更容易地把線程和它的每線程（per-thread）數(shù)據(jù)成功地聯(lián)系起來。

什么是線程局部變量（thread-local variable）？
線程局部變量高效地為每個(gè)使用它的線程提供單獨(dú)的線程局部變量值的副本。每個(gè)線程只能看到與自己相聯(lián)系的值，而不知道別的線程可能正在使用或修改它們自己的副本。一些編譯器（例如 Microsoft Visual C++ 編譯器或 IBM XL FORTRAN 編譯器）用存儲(chǔ)類別修飾符（像 static 或 volatile）把對(duì)線程局部變量的支持集成到了其語言中。Java 編譯器對(duì)線程局部變量不提供特別的語言支持；相反地，它用 ThreadLocal 類實(shí)現(xiàn)這些支持，核心 Thread 類中有這個(gè)類的特別支持。

因?yàn)榫�程局部變量是通過一個(gè)類來實(shí)現(xiàn)的，而不是作為 Java 語言本身的一部分，所以 Java 語言線程局部變量的使用語法比內(nèi)建線程局部變量語言的使用語法要笨拙一些。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)線程局部變量，請(qǐng)實(shí)例化類 ThreadLocal 的一個(gè)對(duì)象。 ThreadLocal 類的行為與 java.lang.ref 中的各種 Reference 類的行為很相似；ThreadLocal 類充當(dāng)存儲(chǔ)或檢索一個(gè)值時(shí)的間接句柄。清單 1 顯示了 ThreadLocal 接口。

清單 1. ThreadLocal 接口
public class ThreadLocal {
public Object get();
public void set(Object newValue);
public Object initialValue();
}


get() 訪問器檢索變量的當(dāng)前線程的值；set() 訪問器修改當(dāng)前線程的值。initialValue() 方法是可選的，如果線程未使用過某個(gè)變量，那么您可以用這個(gè)方法來設(shè)置這個(gè)變量的初始值；它允許延遲初始化。用一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)來說明 ThreadLocal 的工作方式是最好的方法。清單 2 顯示了 ThreadLocal 的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式。它不是一個(gè)特別好的實(shí)現(xiàn)（雖然它與最初實(shí)現(xiàn)非常相似），所以很可能性能不佳，但它清楚地說明了 ThreadLocal 的工作方式。

清單 2. ThreadLocal 的糟糕實(shí)現(xiàn)

public class ThreadLocal {
private Map values = Collections.synchronizedMap(new HashMap());

public Object get() {
Thread curThread = Thread.currentThread();
Object o = values.get(curThread);
if (o == null && !values.containsKey(curThread)) {
o = initialValue();
values.put(curThread, o);
}
return o;
}

public void set(Object newValue) {
values.put(Thread.currentThread(), newValue);
}

public Object initialValue() {
return null;
}
}



這個(gè)實(shí)現(xiàn)的性能不會(huì)很好，因?yàn)槊總�(gè) get() 和 set() 操作都需要 values 映射表上的同步，而且如果多個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè) ThreadLocal，那么將發(fā)生爭(zhēng)用。此外，這個(gè)實(shí)現(xiàn)也是不切實(shí)際的，因?yàn)橛?Thread 對(duì)象做 values 映射表中的關(guān)鍵字將導(dǎo)致無法在線程退出后對(duì) Thread 進(jìn)行垃圾回收，而且也無法對(duì)死線程的 ThreadLocal 的特定于線程的值進(jìn)行垃圾回收。

用 ThreadLocal 實(shí)現(xiàn)每線程 Singleton
線程局部變量常被用來描繪有狀態(tài)“單子”（Singleton） 或線程安全的共享對(duì)象，或者是通過把不安全的整個(gè)變量封裝進(jìn) ThreadLocal，或者是通過把對(duì)象的特定于線程的狀態(tài)封裝進(jìn) ThreadLocal。例如，在與數(shù)據(jù)庫有緊密聯(lián)系的應(yīng)用程序中，程序的很多方法可能都需要訪問數(shù)據(jù)庫。在系統(tǒng)的每個(gè)方法中都包含一個(gè) Connection 作為參數(shù)是不方便的 — 用“單子”來訪問連接可能是一個(gè)雖然更粗糙，但卻方便得多的技術(shù)。然而，多個(gè)線程不能安全地共享一個(gè) JDBC Connection。如清單 3 所示，通過使用“單子”中的 ThreadLocal，我們就能讓我們的程序中的任何類容易地獲取每線程 Connection 的一個(gè)引用。這樣，我們可以認(rèn)為 ThreadLocal 允許我們創(chuàng)建每線程單子。

清單 3. 把一個(gè) JDBC 連接存儲(chǔ)到一個(gè)每線程 Singleton 中
public class ConnectionDispenser {
private static class ThreadLocalConnection extends ThreadLocal {
public Object initialValue() {
return DriverManager.getConnection(ConfigurationSingleton.getDbUrl());
}
}

private ThreadLocalConnection conn = new ThreadLocalConnection();

public static Connection getConnection() {
return (Connection) conn.get();
}
}




任何創(chuàng)建的花費(fèi)比使用的花費(fèi)相對(duì)昂貴些的有狀態(tài)或非線程安全的對(duì)象，例如 JDBC Connection 或正則表達(dá)式匹配器，都是可以使用每線程單子（singleton）技術(shù)的好地方。當(dāng)然，在類似這樣的地方，您可以使用其它技術(shù)，例如用池，來安全地管理共享訪問。然而，從可伸縮性角度看，即使是用池也存在一些潛在缺陷。因?yàn)槌貙?shí)現(xiàn)必須使用同步，以維護(hù)池?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性，如果所有線程使用同一個(gè)池，那么在有很多線程頻繁地對(duì)池進(jìn)行訪問的系統(tǒng)中，程序性能將因爭(zhēng)用而降低。

用 ThreadLocal 簡(jiǎn)化調(diào)試日志紀(jì)錄
其它適合使用 ThreadLocal 但用池卻不能成為很好的替代技術(shù)的應(yīng)用程序包括存儲(chǔ)或累積每線程上下文信息以備稍后檢索之用這樣的應(yīng)用程序。例如，假設(shè)您想創(chuàng)建一個(gè)用于管理多線程應(yīng)用程序調(diào)試信息的工具。您可以用如清單 4 所示的 DebugLogger 類作為線程局部容器來累積調(diào)試信息。在一個(gè)工作單元的開頭，您清空容器，而當(dāng)一個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，您查詢?cè)撊萜饕詸z索這個(gè)工作單元迄今為止生成的所有調(diào)試信息。

清單 4. 用 ThreadLocal 管理每線程調(diào)試日志
public class DebugLogger {
private static class ThreadLocalList extends ThreadLocal {
public Object initialValue() {
return new ArrayList();
}

public List getList() {
return (List) super.get();
}
}

private ThreadLocalList list = new ThreadLocalList();
private static String[] stringArray = new String[0];

public void clear() {
list.getList().clear();
}

public void put(String text) {
list.getList().add(text);
}

public String[] get() {
return list.getList().toArray(stringArray);
}
}





在您的代碼中，您可以調(diào)用 DebugLogger.put() 來保存您的程序正在做什么的信息，而且，稍后如果有必要（例如發(fā)生了一個(gè)錯(cuò)誤），您能夠容易地檢索與某個(gè)特定線程相關(guān)的調(diào)試信息。 與簡(jiǎn)單地把所有信息轉(zhuǎn)儲(chǔ)到一個(gè)日志文件，然后努力找出哪個(gè)日志記錄來自哪個(gè)線程（還要擔(dān)心線程爭(zhēng)用日志紀(jì)錄對(duì)象）相比，這種技術(shù)簡(jiǎn)便得多，也有效得多。

ThreadLocal 在基于 servlet 的應(yīng)用程序或工作單元是一個(gè)整體請(qǐng)求的任何多線程應(yīng)用程序服務(wù)器中也是很有用的，因?yàn)樵谔幚碚?qǐng)求的整個(gè)過程中將要用到單個(gè)線程。您可以通過前面講述的每線程單子技術(shù)用 ThreadLocal 變量來存儲(chǔ)各種每請(qǐng)求（per-request）上下文信息。

ThreadLocal 的線程安全性稍差的堂兄弟，InheritableThreadLocal
ThreadLocal 類有一個(gè)親戚，InheritableThreadLocal，它以相似的方式工作，但適用于種類完全不同的應(yīng)用程序。創(chuàng)建一個(gè)線程時(shí)如果保存了所有 InheritableThreadLocal 對(duì)象的值，那么這些值也將自動(dòng)傳遞給子線程。如果一個(gè)子線程調(diào)用 InheritableThreadLocal 的 get()，那么它將與它的父線程看到同一個(gè)對(duì)象。為保護(hù)線程安全性，您應(yīng)該只對(duì)不可變對(duì)象（一旦創(chuàng)建，其狀態(tài)就永遠(yuǎn)不會(huì)被改變的對(duì)象）使用 InheritableThreadLocal，因?yàn)閷?duì)象被多個(gè)線程共享。InheritableThreadLocal 很合適用于把數(shù)據(jù)從父線程傳到子線程，例如用戶標(biāo)識(shí)（user id）或事務(wù)標(biāo)識(shí)（transaction id），但不能是有狀態(tài)對(duì)象，例如 JDBC Connection。

ThreadLocal 的性能
雖然線程局部變量早已赫赫有名并被包括 Posix pthreads 規(guī)范在內(nèi)的很多線程框架支持，但最初的 Java 線程設(shè)計(jì)中卻省略了它，只是在 Java 平臺(tái)的版本 1.2 中才添加上去。在很多方面，ThreadLocal 仍在發(fā)展之中；在版本 1.3 中它被重寫，版本 1.4 中又重寫了一次，兩次都專門是為了性能問題。

在 JDK 1.2 中，ThreadLocal 的實(shí)現(xiàn)方式與清單 2 中的方式非常相似，除了用同步 WeakHashMap 代替 HashMap 來存儲(chǔ) values 之外。（以一些額外的性能開銷為代價(jià)，使用 WeakHashMap 解決了無法對(duì) Thread 對(duì)象進(jìn)行垃圾回收的問題。）不用說，ThreadLocal 的性能是相當(dāng)差的。

Java 平臺(tái)版本 1.3 提供的 ThreadLocal 版本已經(jīng)盡量更好了；它不使用任何同步，從而不存在可伸縮性問題，而且它也不使用弱引用。相反地，人們通過給 Thread 添加一個(gè)實(shí)例變量（該變量用于保存當(dāng)前線程的從線程局部變量到它的值的映射的 HashMap）來修改 Thread 類以支持 ThreadLocal。因?yàn)闄z索或設(shè)置一個(gè)線程局部變量的過程不涉及對(duì)可能被另一個(gè)線程讀寫的數(shù)據(jù)的讀寫操作，所以您可以不用任何同步就實(shí)現(xiàn) ThreadLocal.get() 和 set()。而且，因?yàn)槊烤�程值的引用被存儲(chǔ)在自已的 Thread 對(duì)象中，所以當(dāng)對(duì) Thread 進(jìn)行垃圾回收時(shí)，也能對(duì)該 Thread 的每線程值進(jìn)行垃圾回收。

不幸的是，即使有了這些改進(jìn)，Java 1.3 中的 ThreadLocal 的性能仍然出奇地慢。據(jù)我的粗略測(cè)量，在雙處理器 Linux 系統(tǒng)上的 Sun 1.3 JDK 中進(jìn)行 ThreadLocal.get() 操作，所耗費(fèi)的時(shí)間大約是無爭(zhēng)用同步的兩倍。性能這么差的原因是 Thread.currentThread() 方法的花費(fèi)非常大，占了 ThreadLocal.get() 運(yùn)行時(shí)間的三分之二還多。雖然有這些缺點(diǎn)，JDK 1.3 ThreadLocal.get() 仍然比爭(zhēng)用同步快得多，所以如果在任何存在嚴(yán)重爭(zhēng)用的地方（可能是有非常多的線程，或者同步塊被頻繁地執(zhí)行，或者同步塊很大），ThreadLocal 可能仍然要高效得多。

在 Java 平臺(tái)的最新版本，即版本 1.4b2 中，ThreadLocal 和 Thread.currentThread() 的性能都有了很大提高。有了這些提高，ThreadLocal 應(yīng)該比其它技術(shù)，如用池，更快。由于它比其它技術(shù)更簡(jiǎn)單，也更不易出錯(cuò)，人們最終將發(fā)現(xiàn)它是避免線程間出現(xiàn)不希望的交互的有效途徑。

ThreadLocal 的好處
ThreadLocal 能帶來很多好處。它常常是把有狀態(tài)類描繪成線程安全的，或者封裝非線程安全類以使它們能夠在多線程環(huán)境中安全地使用的最容易的方式。使用 ThreadLocal 使我們可以繞過為實(shí)現(xiàn)線程安全而對(duì)何時(shí)需要同步進(jìn)行判斷的復(fù)雜過程，而且因?yàn)樗�不需要任何同步，所以也改善了可伸縮性。除簡(jiǎn)單之外，用 ThreadLocal 存儲(chǔ)每線程單子或每線程上下文信息在歸檔方面還有一個(gè)頗有價(jià)值好處 — 通過使用 ThreadLocal，存儲(chǔ)在 ThreadLocal 中的對(duì)象都是不被線程共享的是清晰的，從而簡(jiǎn)化了判斷一個(gè)類是否線程安全的工作。

我希望您從這個(gè)系列中得到了樂趣，也學(xué)到了知識(shí)，我也鼓勵(lì)您到我的討論論壇中來深入研究多線程問題。