最通俗易懂的ThreadLocal原理详解

一、ThreadLocal的用途

 ThreadLocal是线程局部变量，主要用于解决多线程程序的并发问题。产生并发问题的原因是多个线程并发访问共享变量。下面看一段程序。这是一个数据库连接工具类：

public class DBConn {

    private static Connection conn;

    public static Connection getConn(){
        //省略获得connection的过程
        return conn;
    }
}

当多个线程并发获取Connection时，会出现严重的问题，试想所有线程共享的都是一个Connection，若有一个线程close了Connection，其余线程的连接就会受到影响。

当然有一个最简单的办法，可以在getConn()方法上加上同步锁sychronized，但是这样就回到了串行访问的模式，失去了并发的意义。

这时候我们可以让每个线程都拥有一个Connection的副本，这样线程之间不会互相影响，即使用ThreadLocal。

public class DBConn {

    private static final ThreadLocal holder = new ThreadLocal();

    public static Connection getConn(){
        //省略获得connection的过程以及往holder中set值的过程
        return holder.get();
    }
}

这样每个线程得到的Connection都是副本，都是局部变量，不会被其他线程影响。但是这个Demo仅供测试，建议不要这样自己写数据库连接，在工程中使用数据库连接池会更好。

二、ThreadLocal的底层原理

1、核心数据结构及方法

ThreadLocalMap是ThreadLocal的一个静态内部类，是一个Map类型。先看一下源码。

static class ThreadLocalMap {
        static class Entry extends WeakReference> {
            Entry(ThreadLocal k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }

注意这是一个Key为ThreadLocal，Value为Object的键值对，关于WeakReference之后提到内存泄漏时再做详细解释。虽然ThreadLocalMap是ThreadLocal的静态内部类，但是每个Thread内部都有一个ThreadLocalMap的成员变量。

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

这就说明了每个线程内部都有一个Map，很多人会想为什么要用一个Map，而不用其他数据结构，因为首先一个线程肯定有不止一个局部变量，每个局部变量都要通过一个索引来获得，索引就是ThreadLocal对象了。

接下来我们来看一下ThreadLocal的最重要的get()和set()方法到底做了什么。

先看ThreadLocal的方法set(T value)方法：

public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();//获取当前代码运行的线程
        ThreadLocalMap map = getMap(t);//获取Thread对象内部的成员变量ThreadLocalMap，里面有该线程所有的ThreadLocal局部变量
        if (map != null)
            map.set(this, value);//在map内添加一个键值对
        else
            createMap(t, value);//若map为空，则初始化map并且添加键值对
    }

下面我们来看看getMap(Thread t)方法，非常简单。

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

最重要的是ThreadLocalMap的set(ThreadLocal key, Object value)方法。

private void set(ThreadLocal key, Object value) {
 
            Entry[] tab = table;//获取键值对数组索引
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);//threadLocalHashCode是每个ThreadLocal的hash编码，这种&运算求数组下标的方式与HashMap相同，可以看我的博客，里面有详解
  //找到一个合适的key不为null的位置插入，至于为什么key会为null，后面会说到
            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();
        }

看完了set方法，接下来看一下get方法。

ThreadLocal的get方法：

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();//得到当前线程
        ThreadLocalMap map = getMap(t);//获得当前线程的ThreadLocalMap
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();//若map为空，其实就是初始化map并返回null值的value
    }

ThreadLocal内存模型图：

（图片来自网络）

2、ThreadLocal内存泄漏问题

因为ThreadLocalMap中的Entry的键ThreadLocal是WeakReference，即弱引用，在之前的文章中有写到在JVM中弱引用在垃圾回收时，不管内存有没有占满，都会被GC回收。因此很有可能在某次GC之后，某个线程的某个ThreadLocal变量变成了null，那么在Entry中，Key也变成了null，在查找时将永远不会被找到，这个Entry的Value将永远不会被用到，这就是内存泄漏。

当然ThreadLocalMap内部也有解决这个泄漏问题的方法，可以看到ThreadLocalMap在set时，有一个程序段

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

在选择数组的插入位置时，当发现Key为null时，会调用replaceStaleEntry，即把Key为null的Entry移除，并且做一些相应的处理。

当然，一般我们会把ThreadLocal声明为static final，这样做可以使得ThreadLocal保持强引用。

三、ThreadLocal的使用注意点

如果把同一个对象的索引存储到不同线程的局部变量中，其实他们还是共享了同一个变量，没有解决变量共享带来的并发问题。

ThreadLocal中存储的应该是变量的拷贝或者是重新new出来的对象，这样才算是副本。