Java 線程同步與 ThreadLocal 無鎖線程隔離實戰

synchronized 關鍵字深度解析

1. 三種鎖定目標

• 實例方法：鎖當前對象 this。
• 靜態方法：鎖當前類的 Class 對象。
• 同步代碼塊：鎖指定對象 synchronized(obj)。

2. 鎖規則與內存語義

• 同一把鎖下，同一時刻僅允許一個線程進入同步區。
• 線程進入同步塊獲取鎖 → 清空工作內存 → 從主內存讀取共享變量；退出同步塊釋放鎖 → 將工作內存共享變量刷回主內存 (happens-before)。
• 非同步代碼不受影響，可並發訪問。

3. 鎖升級與優化 (JDK 6+)

• 偏向鎖：無競爭時，鎖偏向首個獲取線程，後續進出無 CAS 開銷。
• 輕量級鎖：輕度競爭，CAS 自旋獲取鎖，不進入內核。
• 重量級鎖：激烈競爭，線程阻塞進入內核等待。
• 鎖消除：JIT 發現無共享數據競爭，直接移除同步。
• 鎖粗化：連續對同一對象加鎖解鎖，合併為一個大同步塊。

4. 死鎖演示與避免

// 死鎖：線程 1 鎖 A 再鎖 B，線程 2 鎖 B 再鎖 A
Object lockA = new Object(), lockB = new Object();
new Thread(() -> { synchronized(lockA){ sleep(100); synchronized(lockB){} } }).start();
new Thread(() -> { synchronized(lockB){ sleep(100); synchronized(lockA){} } }).start();

避免策略：固定加鎖順序、使用 tryLock(timeout) (ReentrantLock)、避免在鎖內調用外部方法。

ThreadLocal 線程隔離原理與最佳實踐

1. 核心結構

• 每個 Thread 內部持有 ThreadLocalMap (類似 HashMap，Key 為 ThreadLocal 對象弱引用，Value 為任意對象)。
• ThreadLocal.set(value)：獲取當前線程 Map → 以 this 為 Key 存入 Value。
• ThreadLocal.get()：獲取當前線程 Map → 以 this 為 Key 取值，無則調用 initialValue()。
• ThreadLocal.remove()：從當前線程 Map 刪除 Key，防內存洩漏。

2. 典型應用場景

1. 數據庫連接/事務管理：Spring TransactionSynchronizationManager 用 ThreadLocal 綁定 Connection，保證同一事務內多 DAO 共用同一連接。
2. 用戶上下文傳遞：Web 請求中存放用戶 ID、租戶 ID、追蹤 ID，避免層層傳參。
3. 非線程安全對象隔離：SimpleDateFormat、Random、JDBC Statement 等每線程一份，無需同步。
4. 跨層參數透傳：框架內部攔截器、切面、過濾器間共享請求級數據。

3. 代碼範例：請求上下文持有者

public final class RequestContextHolder {
    private static final ThreadLocal<RequestContext> CONTEXT_HOLDER = new ThreadLocal<>();

    public static void setContext(RequestContext ctx) {
        CONTEXT_HOLDER.set(ctx);
    }

    public static RequestContext getContext() {
        return CONTEXT_HOLDER.get();
    }

    public static void clear() {
        CONTEXT_HOLDER.remove(); // 必須調用，防洩漏
    }
}

// 攔截器中使用
public class ContextInterceptor implements HandlerInterceptor {
    @Override
    public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) {
        RequestContext ctx = new RequestContext();
        ctx.setUserId(getUserId(request));
        ctx.setTraceId(UUID.randomUUID().toString());
        RequestContextHolder.setContext(ctx);
        return true;
    }

    @Override
    public void afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex) {
        RequestContextHolder.clear(); // 關鍵：請求結束清理
    }
}

4. 內存洩漏陷阱與防範

原因：ThreadLocalMap Key 為弱引用，Value 強引用。線程池線程長期存活，若不 remove()，Key GC 後 Value 仍被 Entry 強引用 → 無法回收 → OOM。

防範：

• 使用 try-finally 確保 remove() 執行。
• 框架層面在請求結束/線程歸還池時統一清理 (如 Spring RequestContextListener、Netty FastThreadLocal)。
• 避免在靜態字段存放大對象 Value，改用弱引用 Value 或定期掃描清理。

5. InheritableThreadLocal 子線程傳遞

父線程創建子線程時自動複製父線程的 InheritableThreadLocal 值。注意：線程池複用線程不會觸發複製，需配合 ThreadPoolTaskExecutor 的 ThreadFactory 或 RunnableWrapper 手動傳遞。

對比總結

最佳實踐清單

1. 優先使用無鎖數據結構 (ConcurrentHashMap、LongAdder) 替代同步。
2. 同步塊保持最小範圍，避免在鎖內做 I/O、RPC、睡眠。
3. ThreadLocal 必須配對 set/remove，嵌套調用用 try-finally。
4. 線程池場景考慮 TransmittableThreadLocal (阿里開源) 實現上下文傳遞。
5. 定期用 Arthas/JVisualVM 掃描 ThreadLocalMap 洩漏。