Java并发 深入了解ThreadLocal

ThreadLoacal是什么？

ThreadLocal是啥？以前面试别人时就喜欢问这个，有些伙伴喜欢把它和线程同步机制混为一谈，事实上ThreadLocal与线程同步无关。ThreadLocal虽然提供了一种解决多线程环境下成员变量的问题，但是它并不是解决多线程共享变量的问题。
ThreadLocal，直译为“线程本地”或“本地线程”，如果你真的这么认为，那就错了！其实，它就是一个容器，用于存放线程的局部变量，我认为应该叫做 ThreadLocalVariable（线程局部变量）才对。

API是这样介绍它的：
　　This class provides thread-local variables. These variables differ from their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its {@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized copy of the variable. {@code ThreadLocal} instances are typically private static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g.,a user ID or Transaction ID).

该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物，
因为访问某个变量（通过其 get 或 set 方法）的每个线程都有自己的局部变量，
它独立于变量的初始化副本。 ThreadLocal实例通常是类中的 private static 字段，
它们希望将状态与某一个线程（例如，用户 ID 或事务 ID）相关联

所以ThreadLocal与线程同步机制不同，线程同步机制是多个线程共享同一个变量，而ThreadLocal是为每一个线程创建一个单独的变量副本，故而每个线程都可以独立地改变自己所拥有的变量副本，而不会影响其他线程所对应的副本(容器)。可以说ThreadLocal为多线程环境下变量问题提供了另外一种解决思路。

ThreadLocal定义了四个方法：

• get()：返回此线程局部变量的当前线程副本中的值。

• initialValue()：返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”。

• remove()：移除此线程局部变量当前线程的值。

• set(T value)：将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值。

除了这四个方法，ThreadLocal内部还有一个静态内部类ThreadLocalMap，该内部类才是实现线程隔离机制的关键，get()、set()、remove()都是基于该内部类操作。
ThreadLocalMap提供了一种用键值对方式存储每一个线程的变量副本的方法，key为当前ThreadLocal对象，value则是对应线程的变量副本

 

ThreadLocal 实现原理

ThreadLocal的实现是这样的：每个Thread 维护一个 ThreadLocalMap 映射表，这个映射表的 key 是 ThreadLocal 实例本身，value 是真正需要存储的 Object

1、ThreadLocal实例本身是不存储值，它只是提供了一个在当前线程中找到副本值得key
2、是ThreadLocal包含在Thread中，而不是Thread包含在ThreadLocal中，有些小伙伴会弄错他们的关系

也就是说 ThreadLocal 本身并不存储值，它只是作为一个 key 来让线程从 ThreadLocalMap 获取 value。
值得注意的是图中的虚线，表示 ThreadLocalMap 是使用 ThreadLocal 的弱引用作为 Key 的，弱引用的对象在 GC 时会被回收

 

ThreadLocal源码解析

ThreadLocalMap其内部利用Entry来实现key-value的存储，如下

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

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

从上面代码中可以看出Entry的key就是ThreadLocal，而value就是值。同时，Entry也继承WeakReference，所以说Entry所对应key（ThreadLocal实例）的引用为一个弱引用（关于弱引用这里就不多说了　　

set(ThreadLocal key, Object value)

/**
 * Set the value associated with key.
 *
 * @param key the thread local object
 * @param value the value to be set
 */
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();
}

这个set()操作和我们在集合了解的put()方式有点儿不一样，虽然他们都是key-value结构，不同在于他们解决散列冲突的方式不同。集合Map的put()采用的是拉链法，而ThreadLocalMap的set()则是采用开放定址法（具体请参考散列冲突处理系列博客）。掌握了开放地址法该方法就一目了然了。　　

set()操作除了存储元素外，还有一个很重要的作用，就是replaceStaleEntry()和cleanSomeSlots()，这两个方法可以清除掉key == null 的实例，防止内存泄漏。在set()方法中还有一个变量很重要：threadLocalHashCode，定义如下：private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

从名字上面我们可以看出threadLocalHashCode应该是ThreadLocal的散列值，定义为final，表示ThreadLocal一旦创建其散列值就已经确定了，生成过程则是调用nextHashCode()

private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
/**
 * Returns the next hash code.
 */
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

nextHashCode表示分配下一个ThreadLocal实例的threadLocalHashCode的值，HASH_INCREMENT则表示分配两个ThradLocal实例的threadLocalHashCode的增量，从nextHashCode就可以看出他们的定义。　　

getEntry()方法

/**
 * Get the entry associated with key.  This method
 * itself handles only the fast path: a direct hit of existing
 * key. It otherwise relays to getEntryAfterMiss.  This is
 * designed to maximize performance for direct hits, in part
 * by making this method readily inlinable.
 *
 * @param  key the thread local object
 * @return the entry associated with key, or null if no such
 */
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);
}

由于采用了开放定址法，所以当前key的散列值和元素在数组的索引并不是完全对应的，首先取一个探测数（key的散列值），如果所对应的key就是我们所要找的元素，则返回，否则调用getEntryAfterMiss()　　

/**
 * Version of getEntry method for use when key is not found in
 * its direct hash slot.
 *
 * @param  key the thread local object
 * @param  i the table index for key's hash code
 * @param  e the entry at table[i]
 * @return the entry associated with key, or null if no such
 */
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    while (e != null) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == key)
            return e;
        if (k == null)
            expungeStaleEntry(i);
        else
            i = nextIndex(i, len);
        e = tab[i];
    }
    return null;
}

这里有一个重要的地方，当key == null时，调用了expungeStaleEntry()方法，该方法用于处理key == null，有利于GC回收，能够有效地避免内存泄漏　　

 

get()方法，返回当前线程所对应的线程变量

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();
}

首先通过当前线程获取所对应的成员变量ThreadLocalMap，然后通过ThreadLocalMap获取当前ThreadLocal的Entry，最后通过所获取的Entry获取目标值result

 

set(T value)方法，设置当前线程的线程局部变量的值

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

获取当前线程所对应的ThreadLocalMap，如果不为空，则调用ThreadLocalMap的set()方法，key就是当前ThreadLocal，如果不存在，则调用createMap()方法新建一个，如下：　　

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

　　

initialValue()方法，返回该线程局部变量的初始值

protected T initialValue() {
    return null;
}

该方法定义为protected级别且返回为null，很明显是要子类实现它的，所以我们在使用ThreadLocal的时候一般都应该覆盖该方法。该方法不能显示调用，只有在第一次调用get()或者set()方法时才会被执行，并且仅执行1次　　

 

remove()方法，将当前线程局部变量的值删除

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

该方法的目的是减少内存的占用。当然，我们不需要显示调用该方法，因为一个线程结束后，它所对应的局部变量就会被垃圾回收　　

 

ThreadLocal为什么会内存泄漏问题

前面提到每个Thread都有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap的map，该map的key为ThreadLocal实例，它为一个弱引用，我们知道弱引用有利于GC回收。当ThreadLocal的key == null时，GC就会回收这部分空间，但是value却不一定能够被回收，因为他还与Current Thread存在一个强引用关系。图片来源(https://www.jianshu.com/p/ee8c9dccc953)

由于存在这个强引用关系，会导致value无法回收。如果这个线程对象不会销毁那么这个强引用关系则会一直存在，就会出现内存泄漏情况。所以说只要这个线程对象能够及时被GC回收，就不会出现内存泄漏。如果碰到线程池，那就是大bug了

 

那么要怎么避免这个问题呢？

首先来说，如果把ThreadLocal置为null，那么意味着Heap中的ThreadLocal实例不在有强引用指向，只有弱引用存在，因此GC是可以回收这部分空间的，也就是key是可以回收的。但是value却存在一条从Current Thread过来的强引用链。因此只有当Current Thread销毁时，value才能得到释放。

因此，只要这个线程对象被gc回收，就不会出现内存泄露，但在threadLocal设为null和线程结束这段时间内不会被回收的，就发生了我们认为的内存泄露。最要命的是线程对象不被回收的情况，比如使用线程池的时候，线程结束是不会销毁的，再次使用的，就可能出现内存泄露

其实，ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施：在ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value，即：在ThreadLocalMap中的setEntry()、getEntry()，如果遇到key == null的情况，会对value设置为null。当然我们也可以显示调用ThreadLocal的remove()方法进行处理

 

总结

1、每个Thread内部都有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量，该成员变量用来存储实际的ThreadLocal变量副本

2、ThreadLocal 不是用于解决共享变量的问题的，也不是为了协调线程同步而存在，而是为了方便每个线程处理自己的状态而引入的一个机制。这点至关重要

3、内存泄漏是很难发现的问题，往往由于多方面原因造成。ThreadLocal由于它与线程绑定的生命周期成为了内存泄漏的常客，稍有不慎就酿成大祸。

4、理解了ThreadLocal内存泄漏的前因后果，每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据

5、在使用线程池的情况下，没有及时清理ThreadLocal，不仅是内存泄漏的问题，更严重的是可能导致业务逻辑出现问题。所以，使用ThreadLocal就跟加锁完要解锁一样，用完就清理