Java并发编程之ThreadLocal详解

ThreadLocal是什么？

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  ThreadLocal是一个关于创建线程局部变量的类。

  通常情况下，我们创建的变量是可以被任何一个线程访问并修改的。而使用ThreadLocal创建的变量只能被当前线程访问，其他线程则无法访问和修改。

ThreadLocal使用示例

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示例1：ThreadLocal声明基本类型变量

  执行程序，可以得到：

  从运行结果可以看出，对于基本类型变量，ThreadLocal确实是可以达到线程隔离作用的。

示例2：ThreadLocal声明自定义类型的对象

  执行程序，可以得到：

  从运行结果可以看出，对于自定义类型的对象，ThreadLocal也是可以达到线程隔离作用的。

示例3：ThreadLocal声明的变量都指向同一个对象

  对示例2的代码稍作修改，使得ThreadLocal声明的变量初始化时不再实例化一个新的对象，而是让它指向同一个对象，运行查看结果：

  很显然，在这里，并没有通过ThreadLocal达到线程隔离的机制，可是ThreadLocal不是保证线程安全的么？这是什么鬼？ 显然，虽说ThreadLocal让访问某个变量的线程都拥有自己的局部变量，但是如果这个局部变量都指向同一个对象的话，这个时候，ThreadLocal就失效了。

ThreadLocal源码剖析

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  ThreadLocal类的源码在java.lang包中。其中主要有四个方法：

1. get()

// 返回当前线程所对应的线程变量
public T get() {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程的成员变量 threadLocal
    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();
}

  从源码中可以看到，get()方法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的键值对Entry，最后通过该Entry获取目标值result。

  其中，getMap()方法可以获取当前线程所对应的ThreadLocalMap，其源代码如下：

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

2. set(T value)

// 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);
}

  set方法首先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，其源代码如下：

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

3. initialValue()

// 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，很明显是要子类重写来实现它的，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。

4. remove()

// 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占用，避免出现因为线程迟迟未结束而导致内存泄漏的情况。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。

ThreadLocalMap类

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  从ThreadLocal的源码中我们可以看到，ThreadLocal的实现比较简单，主要是依赖于ThreadLocalMap这个类，我们有必要好好理解一下后者。

  根据命名就可以看出，ThreadLocalMap，它实际上是一个Map键值对。在其内部使用了Entry的方式来实现key-value的存储：

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

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

  在上面的代码中，Entry内的Key就是ThreadLocal，而Value就是线程私有的那个变量。同时，Entry也继承WeakReference，所以说Entry所对应key（ThreadLocal实例）的引用是一个弱引用。

  下面来看一下ThreadLocalMap类中几个核心的方法：

1. 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();
    }

  源码的意思简单明了，根据要保存的key到Entry数组中去匹配，如果key已经存在就更新值，否则创建新的entry写入。

  值得注意的是，这里的set()操作和我们在集合Map了解的put()方式有点儿不一样，虽然他们都是key-value结构，不同点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，即在每个数组元素的位置，存入链表来解决冲突。而ThreadLocalMap的set()则是采用开放定址法来解决冲突的。

  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;

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。

2. getEntry()

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就是我们要找的元素，则返回，否则调用getEntryAfterMiss()再寻找，源码如下：

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。

ThreadLocal与内存泄漏

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  (注：本节参考了博文 http://blog.xiaohansong.com/2016/08/06/ThreadLocal-memory-leak/)

图：ThreadLocal实现原理

  前面提到过，每个Thread都有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap，该map的key为ThreadLocal实例的一个弱引用，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。

  如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value永远无法回收，造成内存泄漏。

  其实，ThreadLocal类的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施：在触发ThreadLocal的remove()时会清除线程ThreadLocalMap里key为null的value。