结合源码谈谈ThreadLocal！

目录

• ThreadLocal的作用
• ThreadLocal
  • 1.对象初始化
  • 2.获取变量
  • 3.设置变量
  • 4.移除变量
• ThreadLocalMap
  • 1.Entry
  • 2.初始化
  • 3.获取Entry
  • 4.设置Entry
  • 5.移除Entry
• InheritableThreadLocal

网上有很多关于ThreadLocal的介绍，有的介绍比较简单，也有的介绍很复杂，比较难懂，今天，自己结合它的源码，也做个简易梳理，记录如下！

ThreadLocal的作用

在多请求并发访问过程中，我们往往需要将一个指定变量隔离起来，达到只对当前线程可用，其他线程不可用的效果，因此，我们就会使用到ThreadLocal来实现。

实现原理其实就是在每个线程中维护了一个Map结构（ThreadLocalMap，它是ThreadLocal中的静态内部类），ThreadLocal对象为Key，需要隔离的值为Value。为了达到线程全局可用，我们往往将ThreadLocal声明为全局静态变量。

Thread中的ThreadLocalMap对象

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

那么ThreadLocal具体如何做到线程隔离的？我们下面做具体分析！

ThreadLocal

ThreadLocal的生命周期图示如下：

我们暂不分析ThreadLocalMap，先单独来看ThreadLocal的几个方法源码介绍！

1.对象初始化

ThreadLocal初始化比较简单!

public static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>();

我们往往在初始化时会给他指定一个默认值，不指定的话，默认值为null，这里有两种指定方式：

第一种：直接复写ThreadLocal中的initialValue方法
第二种：利用函数式编程，创建SuppliedThreadLocal对象，由get方法直接返回初始值

public static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<String>(){
    @Override
    protected String initialValue() {
        return "Test";
    }
};

public static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = ThreadLocal.withInitial(()->"Test");

SuppliedThreadLocal对象是对ThreadLocal的一个特定实现，通过构造函数传入Supplier，再由实现的initialValue方法返回supplier.get()的结果，其他也没什么可多介绍的。

2.获取变量

public T get() {
  Thread t = Thread.currentThread();
  ThreadLocalMap map = getMap(t);
  if (map != null) {
      ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
      if (e != null) {
          @SuppressWarnings("unchecked")
          T result = (T)e.value;
          return result;
      }
  }
  return setInitialValue();
}

从get方法我们可以看到，ThreadLocal是从当前线程中获取到了ThreadLocalMap对象，然后取出其中的Entry.Value值，如果对象不存在就返回初始值，初始化方法initialValue会在这里调用一次，其他操作不再调用。

3.设置变量

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

set方法与get方法一样，会通过当前线程取出ThreadLocalMap对象，然后将当前ThreadLocal对象作为Key，存储Value值，ThreadLocalMap不存在时，会创建新的Map。

4.移除变量

public void remove() {
   ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
   if (m != null)
       m.remove(this);
}

移除变量同样是根据currentThread来找到的Map，然后对当前ThreadLocal做remove操作。

ThreadLocalMap

通过ThreadLocal的操作介绍我们可以看到，ThreadLocal的操作都是基于ThreadLocalMap来实现的，所以，ThreaLocalMap才是我们对ThreadLocal变量实现线程隔离的重点。

1.Entry

ThreadLocalMap中存储数据关系的是Entry，它的Key是ThreadLocal对象，采用弱引用，Value是一个强引用对象Object。当Entry.get()获取的ThreadLocal为Null时，GC回收将直接清除该对象，但Value对象，需要我们手动清除，所以，我们需要在每个ThreadLocal调用结束时，执行remove方法，否则，有可能出现内存泄漏情况。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

那么，为什么ThreadLocal中没有使用普通的Key-Value形式定义存储结构呢？

因为如果这里使用普通的key-value形式来定义存储结构，实质上就会造成节点的生命周期与线程强绑定，只要线程没有销毁，那么节点在GC分析中一直处于可达状态，没办法被回收，而程序本身也无法判断是否可以清理节点。弱引用是Java中四档引用的第三档，比软引用更加弱一些，如果一个对象没有强引用链可达，那么一般活不过下一次GC。当某个ThreadLocal已经没有强引用可达，则随着它被垃圾回收，在ThreadLocalMap里对应的Entry的键值会失效，这为ThreadLocalMap本身的垃圾清理提供了便利。

关于弱引用与强引用的关系以及他们的对象回收机制，这里不做过多介绍，有兴趣的同学可以自行学习！

2.初始化

ThreadLocalMap的操作是基于Entry[]数组table完成的，数组初始化大小为16。table是一个2的N次方的数组，ThreadLocal通过AtomicInteger类型的nextHashCode，每次偏移HASH_INCREMENT=0x61c88647的大小来实现数据在数组上的平均分布。

Entry[]数组table为什么是一个2的N次方数组呢？

第一个原因是ThreadLocalMap使用的是开放定址法中的线性探测法，均匀分布的好处在于很快就能探测到下一个临近的可用slot，从而保证效率。
第二个原因是位运算比取模效率高，rehash的时候只需要判断0还是1。

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

关于Entry[]中如何解决碰撞冲突问题，可以参考：ThreadLocal 和神奇的数字 0x61c88647

3.获取Entry

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

查询table中的Entry值时，采用神奇的0x61c88647，ThreadLocal对象作为Key与Entry的Key相同时，返回此Entry，否则，采用开放定址法，从i开始线性探测查找Entry。

4.设置Entry

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

  // We don't use a fast path as with get() because it is at
  // least as common to use set() to create new entries as
  // it is to replace existing ones, in which case, a fast
  // path would fail more often than not.

  Entry[] tab = table;
  int len = tab.length;
  int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

  for (Entry e = tab[i];
       e != null;
       e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
      ThreadLocal<?> k = e.get();

      if (k == key) {
          e.value = value;
          return;
      }

      if (k == null) {
          replaceStaleEntry(key, value, i);
          return;
      }
  }

  tab[i] = new Entry(key, value);
  int sz = ++size;
  if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
      rehash();
}

set方法中兼容新增与修改操作，如果找到同一个ThreadLocal对应的Entry时，则直接重新赋值Value，否则新建Entry赋值给table[i]。

5.移除Entry

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        if (e.get() == key) {
            e.clear();
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

remove操作同样采用线性探测到指定的table[i]，找到Key相同的ThreadLocal对象，然后通过指定弱引用的Key值为Null移除，并将table[i].value也置为Null，通过GC回收彻底删除元素。

InheritableThreadLocal

ThreadLocal解决了线程隔离问题，但对于子线程想要获取到父线程中的变量，又如何做呢？JDK为我们提供了另外一个线程本地变量实现类InheritableThreadLocal。

InheritableThreadLocal继承自ThreadLocal，与ThreadLocal一样，它也会在Thread中定义一个Map结构来维护Entry访问。

/*
 * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
 * maintained by the InheritableThreadLocal class.
 */
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

所以，每个Thread中都会保存有当前线程的ThreadLocal对象threadLocals，和继承父线程的ThreadLocal对象inheritableThreadLocals。

那么，父线程数据如何传递给子线程的呢？我们来看Thread的init方法，是如何做的。

if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
    this.inheritableThreadLocals =
       ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);

线程初始化时，会将父线程的ThreadLocalMap传给子线程，通过Entry[]数组拷贝，完成子线程ThreadLocal对象的创建。具体操作在ThreadMap的另一构造方法完成。

private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
    Entry[] parentTable = parentMap.table;
    int len = parentTable.length;
    setThreshold(len);
    table = new Entry[len];

    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = parentTable[j];
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
            if (key != null) {
                Object value = key.childValue(e.value);
                Entry c = new Entry(key, value);
                int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
                while (table[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                table[h] = c;
                size++;
            }
        }
    }
}

InheritableThreadLocal中重写了ThreadLocal的三个方法：

childValue：获取父线程变量值。
getMap：获取继承过来的ThreaLocal对象。
createMap：创建继承父线程的ThreadLocal对象。

InheritableThreadLocal实现了Entry数组拷贝后，其他操作方法与ThreadLocal相同。