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Java 多線程同步問題探究（五）：ThreadLocal 解決並發安全

編輯：Java 相關知識

ThreadLocal：以空間換時間的並發方案

前文介紹了多線程搶佔共享資源的問題。無論同步還是重入鎖，都無法從根本解決資源緊缺，只是透過規則約束線程行為，而非真正滿足資源需求。

JDK 1.2 引入 java.lang.ThreadLocal，提供全新思路解決並發問題。名稱易誤解為「本地線程」，實際是「線程中的本地變量」。源於 Thread Local Storage（線程本地存儲）技術，不只 Java，C++、C#、.NET、Python、Ruby、Perl 等平台皆已實現。

核心機制

使用 ThreadLocal 維護變量時，為每個使用該變量的線程提供獨立變量副本。從根本解決資源數量問題，使每線程持有相對獨立資源。線程工作時無需糾結同步，性能大幅提升。代價是更多空間消耗——典型的「以空間換時間」方案。

關鍵方法

get()：返回當前線程副本中的值
set()：設定當前線程副本中的值
remove()：移除當前線程的值
initialValue()：返回當前線程的「初始值」（需覆寫）

常見錯誤與正確用法

錯誤範例：在主線程 set，子線程 get

public class ThreadDemo3 extends Thread {
  private ThreadLocal<Student> stuLocal = new ThreadLocal<Student>();
  public ThreadDemo3(Student stu) { stuLocal.set(stu); }
  // ... run() 中呼叫 stuLocal.get() 會得到 null
}

原因：構造器在主線程執行，set() 將值放入主線程的 ThreadLocalMap。子線程啟動後調用 get()，從自身 ThreadLocalMap 取值，發現無對應 entry，執行 initialValue() 返回 null。

ThreadLocal 內部原理

每個 Thread 物件有 threadLocals 引用指向 ThreadLocalMap
ThreadLocalMap 非 java.util.Map 實作，用 WeakReference 實現鍵值對應，鍵為 ThreadLocal，值為 Object
set()：從當前線程取 ThreadLocalMap，有則以自己為鍵存值；無則建立 Map 再存
get()：從當前線程取 Map，有則以自己為鍵取值；無則建立 Map 並存入 initialValue() 結果

正確用法：覆寫 initialValue()

private ThreadLocal<Student> stuLocal = new ThreadLocal<Student>() {
  @Override
  protected Student initialValue() {
    return new Student();
  }
};

每個線程首次 get() 時自動獲得獨立的 Student 實例。

一個 ThreadLocal 對應多線程

public class ThreadDemo3 implements Runnable {
  private ThreadLocal<Student> stuLocal = new ThreadLocal<Student>() { ... };
  public static void main(String[] args) {
    ThreadDemo3 td3 = new ThreadDemo3();
    new Thread(td3).start();
    new Thread(td3).start();
    new Thread(td3).start();
  }
}

多線程共用同一 Runnable 實例，故共用同一 ThreadLocal 物件。但每線程有自己的 ThreadLocalMap，鍵為同一 ThreadLocal，值為各自獨立實例。本質無差異：真正封裝變量的是 ThreadLocalMap，ThreadLocal 只是中介。