Java良好的支持多線程。使用java,我們可以很輕松的編程一個多線程程序。但是使用多線程可能會引起并發訪問的問題。synchronized和ThreadLocal都是用來解決多線程并發訪問的問題。大家可能對synchronized較為熟悉，而對ThreadLocal就要陌生得多了。
并發問題。當一個對象被兩個線程同時訪問時，可能有一個線程會得到不可預期的結果。
一個簡單的java類Studnet
1
public class Student 
{
2
private int age=0;
3
4
public int getAge() {
5 return this.age;
6
7
}
8
9 public void setAge(int age) {
10 this.age = age;
11 }
12
}
一個多線程類ThreadDemo.
這個類有一個Student的私有變量,在run方法中，它隨機產生一個整數。然后設置到student變量中,從student中讀取設置后的值。然后睡眠5秒鐘，最后再次讀student的age值。
1public class ThreadDemo implements Runnable{
2 Student student = new Student();
3 public static void main(String[] agrs) {
4 ThreadDemo td = new ThreadDemo();
5 Thread t1 = new Thread(td,"a");
6 Thread t2 = new Thread(td,"b");
7 t1.start();
8 t2.start();
9
10 }
11/**//* (non-Javadoc)
12 * @see java.lang.Runnable#run()
13 */
14 public void run() {
15 accessStudent();
16 }
17
18 public void accessStudent() {
19 String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
20 System.out.println(currentThreadName+" is running!");
21 // System.out.println("first read age is:"+this.student.getAge());
22 Random random = new Random();
23 int age = random.nextInt(100);
24 System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);
25
26 this.student.setAge(age);
27 System.out.println("thread "+currentThreadName+" first read age is:"+this.student.getAge());
28 try {
29 Thread.sleep(5000);
30 }
31 catch(InterruptedException ex) {
32 ex.printStackTrace();
33 }
34 System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge());
35
36 }
37
38}
運行這個程序,屏幕輸出如下:
a is running!
b is running!
thread b set age to:33
thread b first read age is:33
thread a set age to:81
thread a first read age is:81
thread b second read age is:81
thread a second read age is:81
需要注意的是，線程a在同一個方法中，第一次讀取student的age值與第二次讀取值不一致。這就是出現了并發問題。
synchronized
上面的例子，我們模似了一個并發問題。Java提供了同步機制來解決并發問題。synchonzied關鍵字可以用來同步變量，方法，甚至同步一個代碼塊。
使用了同步后，一個線程正在訪問同步對象時，另外一個線程必須等待。
Synchronized同步方法
現在我們可以對accessStudent方法實施同步。
public synchronized void accessStudent()
再次運行程序，屏幕輸出如下：
a is running!
thread a set age to:49
thread a first read age is:49
thread a second read age is:49
b is running!
thread b set age to:17
thread b first read age is:17
thread b second read age is:17
加上了同步后，線程b必須等待線程a執行完畢后，線程b才開始執行。
對方法進行同步的代價是非常昂貴的。特別是當被同步的方法執行一個冗長的操作。這個方法執行會花費很長的時間,對這樣的方法進行同步可能會使系統性能成數量級的下降。
Synchronized同步塊
在accessStudent方法中，我們真實需要保護的是student變量，所以我們可以進行一個更細粒度的加鎖。我們僅僅對student相關的代碼塊進行同步。
1synchronized(this) {
2Random random = new Random();
3int age = random.nextInt(100);
4System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);
5
6this.student.setAge(age);
7
8System.out.println("thread "+currentThreadName+" first read age is:"+this.student.getAge());
9try {
10Thread.sleep(5000);
11}
12catch(InterruptedException ex) {
13 ex.printStackTrace();
14}
15}
運行方法后，屏幕輸出：
a is running!
thread a set age to:18
thread a first read age is:18
b is running!
thread a second read age is:18
thread b set age to:62
thread b first read age is:62
thread b second read age is:62
需要特別注意這個輸出結果。
這個執行過程比上面的方法同步要快得多了。
只有對student進行訪問的代碼是同步的，而其它與部份代碼卻是異步的了。而student的值并沒有被錯誤的修改。如果是在一個真實的系統中，accessStudent方法的操作又比較耗時的情況下。使用同步的速度幾乎與沒有同步一樣快。
使用同步鎖
稍微把上面的例子改一下，在ThreadDemo中有一個私有變量count，。
private int count=0;
在accessStudent()中, 線程每訪問一次，count都自加一次, 用來記數線程訪問的次數。
try {
this.count++;
Thread.sleep(5000);
}catch(InterruptedException ex) {
ex.printStackTrace();
}
為了模擬線程，所以讓它每次自加后都睡眠5秒。
accessStuden()方法的完整代碼如下：
String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(currentThreadName+" is running!");
try {
this.count++;
Thread.sleep(5000);
}catch(InterruptedException ex) {
ex.printStackTrace();
}
System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count);
synchronized(this) {
Random random = new Random();
int age = random.nextInt(100);
System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);
this.student.setAge(age);
System.out.println("thread "+currentThreadName+" first read age is:"+this.student.getAge());
try {
Thread.sleep(5000);
}
catch(InterruptedException ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge());
a is running!
b is running!
thread a read count:2
thread a set age to:49
thread a first read age is:49
thread b read count:2
thread a second read age is:49
thread b set age to:7
thread b first read age is:7
thread b second read age is:7
我們仍然對student對象以synchronized(this)操作進行同步。
我們需要在兩個線程中共享count失敗。
所以仍然需要對count的訪問進行同步操作。
1synchronized(this) {
2 try {
3 this.count++;
4 Thread.sleep(5000);
5 }catch(InterruptedException ex) {
6 ex.printStackTrace();
7 }
8 }
9 System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count);
10
11
12 synchronized(this) {
13 Random random = new Random();
14 int age = random.nextInt(100);
15 System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);
16
17 this.student.setAge(age);
18
19 System.out.println("thread "+currentThreadName+" first read age is:"+this.student.getAge());
20 try {
21 Thread.sleep(5000);
22 }
23 catch(InterruptedException ex) {
24 ex.printStackTrace();
25 }
26 }
27 System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge());
28 long endTime = System.currentTimeMillis();
29 long spendTime = endTime - startTime;
30 System.out.println("花費時間："+spendTime +"毫秒");
程序運行后，屏幕輸出
a is running!
b is running!
thread a read count:1
thread a set age to:97
thread a first read age is:97
thread a second read age is:97
花費時間：10015毫秒
thread b read count:2
thread b set age to:47
thread b first read age is:47
thread b second read age is:47
花費時間：20124毫秒
我們在同一個方法中，多次使用synchronized(this)進行加鎖。有可能會導致太多額外的等待。
應該使用不同的對象鎖進行同步。
設置兩個鎖對象，分別用于student和count的訪問加鎖。
1private Object studentLock = new Object();
2private Object countLock = new Object();
3
4accessStudent()方法如下：
5 long startTime = System.currentTimeMillis();
6 String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
7 System.out.println(currentThreadName+" is running!");
8 // System.out.println("first read age is:"+this.student.getAge());
9
10 synchronized(countLock) {
11 try {
12 this.count++;
13 Thread.sleep(5000);
14 }catch(InterruptedException ex) {
15 ex.printStackTrace();
16 }
17 }
18 System.out.println("thread "+currentThreadName+" read count:"+this.count);
19
20
21 synchronized(studentLock) {
22 Random random = new Random();
23 int age = random.nextInt(100);
24 System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);
25
26 this.student.setAge(age);
27
28 System.out.println("thread "+currentThreadName+" first read age is:"+this.student.getAge());
29 try {
30 Thread.sleep(5000);
31 }
32 catch(InterruptedException ex) {
33 ex.printStackTrace();
34 }
35 }
36 System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+this.student.getAge());
37 long endTime = System.currentTimeMillis();
38 long spendTime = endTime - startTime;
39 System.out.println("花費時間："+spendTime +"毫秒");
這樣對count和student加上了兩把不同的鎖。
運行程序后，屏幕輸出：
a is running!
b is running!
thread a read count:1
thread a set age to:48
thread a first read age is:48
thread a second read age is:48
花費時間：10016毫秒
thread b read count:2
thread b set age to:68
thread b first read age is:68
thread b second read age is:68
花費時間：20046毫秒
與兩次使用synchronized(this)相比，使用不同的對象鎖，在性能上可以得到更大的提升。
由此可見synchronized是實現java的同步機制。同步機制是為了實現同步多線程對相同資源的并發訪問控制。保證多線程之間的通信。
可見，同步的主要目的是保證多線程間的數據共享。同步會帶來巨大的性能開銷，所以同步操作應該是細粒度的。如果同步使用得當，帶來的性能開銷是微不足道的。使用同步真正的風險是復雜性和可能破壞資源安全,而不是性能。
ThreadLocal
由上面可以知道，使用同步是非常復雜的。并且同步會帶來性能的降低。Java提供了另外的一種方式，通過ThreadLocal可以很容易的編寫多線程程序。從字面上理解，很容易會把ThreadLocal誤解為一個線程的本地變量。其它ThreadLocal并不是代表當前線程，ThreadLocal其實是采用哈希表的方式來為每個線程都提供一個變量的副本。從而保證各個線程間數據安全。每個線程的數據不會被另外線程訪問和破壞。
我們把第一個例子用ThreadLocal來實現,但是我們需要些許改變。
Student并不是一個私有變量了，而是需要封裝在一個ThreadLocal對象中去。調用ThreadLocal的set方法，ThreadLocal會為每一個線程都保持一份Student變量的副本。所以對student的讀取操作都是通過ThreadLocal來進行的。
1protected Student getStudent() {
2 Student student = (Student)studentLocal.get();
3 if(student == null) {
4 student = new Student();
5 studentLocal.set(student);
6 }
7 return student;
8}
9
10protected void setStudent(Student student) {
11 studentLocal.set(student);
12}
accessStudent()方法需要做一些改變。通過調用getStudent()方法來獲得當前線程的Student變量，如果當前線程不存在一個Student變量，getStudent方法會創建一個新的Student變量，并設置在當前線程中。
Student student = getStudent();
student.setAge(age);
accessStudent()方法中無需要任何同步代碼。
完整的代碼清單如下：
TreadLocalDemo.java
1public class TreadLocalDemo implements Runnable {
2 private final static ThreadLocal studentLocal = new ThreadLocal();
3
4 public static void main(String[] agrs) {
5 TreadLocalDemo td = new TreadLocalDemo();
6 Thread t1 = new Thread(td,"a");
7 Thread t2 = new Thread(td,"b");
8
9 t1.start();
10 t2.start();
11
12
13
14
15 }
16
17 /**//* (non-Javadoc)
18 * @see java.lang.Runnable#run()
19 */
20 public void run() {
21 accessStudent();
22 }
23
24 public void accessStudent() {
25
26 String currentThreadName = Thread.currentThread().getName();
27 System.out.println(currentThreadName+" is running!");
28 Random random = new Random();
29 int age = random.nextInt(100);
30 System.out.println("thread "+currentThreadName +" set age to:"+age);
31 Student student = getStudent();
32 student.setAge(age);
33 System.out.println("thread "+currentThreadName+" first read age is:"+student.getAge());
34 try {
35 Thread.sleep(5000);
36 }
37 catch(InterruptedException ex) {
38 ex.printStackTrace();
39 }
40 System.out.println("thread "+currentThreadName +" second read age is:"+student.getAge());
41
42 }
43
44 protected Student getStudent() {
45 Student student = (Student)studentLocal.get();
46 if(student == null) {
47 student = new Student();
48 studentLocal.set(student);
49 }
50 return student;
51 }
52
53 protected void setStudent(Student student) {
54 studentLocal.set(student);
55 }
56}
運行程序后，屏幕輸出：
b is running!
thread b set age to:0
thread b first read age is:0
a is running!
thread a set age to:17
thread a first read age is:17
thread b second read age is:0
thread a second read age is:17
可見，使用ThreadLocal后，我們不需要任何同步代碼，卻能夠保證我們線程間數據的安全。
而且，ThreadLocal的使用也非常的簡單。
我們僅僅需要使用它提供的兩個方法
void set(Object obj) 設置當前線程的變量的副本的值。
Object get() 返回當前線程的變量副本
另外ThreadLocal還有一個protected的initialValue()方法。返回變量副本在當前線程的初始值。默認為null
ThreadLocal是怎么做到為每個線程都維護一個變量的副本的呢？
我們可以猜測到ThreadLocal的一個簡單實現
1public class ThreadLocal
2{
3 private Map values = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
4 public Object get()
5 {
6 Thread curThread = Thread.currentThread();
7 Object o = values.get(curThread);
8 if (o == null && !values.containsKey(curThread))
9 {
10 o = initialValue();
11 values.put(curThread, o);
12 }
13 return o;
14 }
15
16 public void set(Object newValue)
17 {
18 values.put(Thread.currentThread(), newValue);
19 }
20
21 public Object initialValue()
22 {
23 return null;
24 }
25}
由此可見，ThreadLocal通過一個Map來為每個線程都持有一個變量副本。這個map以當前線程為key。與synchronized相比，ThreadLocal是以空間換時間的策略來實現多線程程序。
Synchronized還是ThreadLocal?
ThreadLocal以空間換取時間，提供了一種非常簡便的多線程實現方式。因為多個線程并發訪問無需進行等待，所以使用ThreadLocal會獲得更大的性能。雖然使用ThreadLocal會帶來更多的內存開銷，但這點開銷是微不足道的。因為保存在ThreadLocal中的對象，通常都是比較小的對象。另外使用ThreadLocal不能使用原子類型，只能使用Object類型。ThreadLocal的使用比synchronized要簡單得多。
ThreadLocal和Synchonized都用于解決多線程并發訪問。但是ThreadLocal與synchronized有本質的區別。synchronized是利用鎖的機制，使變量或代碼塊在某一時該只能被一個線程訪問。而ThreadLocal為每一個線程都提供了變量的副本，使得每個線程在某一時間訪問到的并不是同一個對象，這樣就隔離了多個線程對數據的數據共享。而Synchronized卻正好相反，它用于在多個線程間通信時能夠獲得數據共享。
Synchronized用于線程間的數據共享，而ThreadLocal則用于線程間的數據隔離。
當然ThreadLocal并不能替代synchronized,它們處理不同的問題域。Synchronized用于實現同步機制，比ThreadLocal更加復雜。