Java8 ThreadLocal 源码分析

可参考文章： Java8 IdentityhashMap 源码分析
IdentityhashMap 与 ThreadLocalMap 一样都是采用线性探测法解决哈希冲突，有兴趣的可以先了解下 IdentityhashMap 。

一、ThreadLocal 简介

在学习源码之前，有一个概念我们需要先明白：ThreadLocal 可以使多线程间数据读写隔离，因此 ThreadLocal 解决的是线程局部变量安全性问题，并不是多线程间共享变量安全性问题。

ThreadLocal 在使用时必须先初始化 value，否则会报空指针异常，你可以通过 set 方法与重写 initialValue 方法两种方式初始化 value。

下面是 ThreadLocal 原理图，读源码的时候可以参考。

二、ThreadLocal 源码

我们先来了解一下 ThreadLocal，然后再逐渐了解 ThreadLocalMap。

2.1 内部相关属性

    /*
     * ThreadLocal 的哈希值通过一个原子类计算
     */
    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    /**
     * 用于计算 ThreadLocal 哈希值的原子类
     */
    private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
    /** 
     * 计算 ThreadLocal 哈希值的魔数 
     * 该值生成出来的值可以较为均匀地分布在 2 的幂大小的数组中
     * 据说与斐波那契散列有关...
     */
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

ThreadLocalMap 的结构是通过纯数组实现的，因此 ThreadLocal 计算哈希值的方式也比较特殊，通过 nextHashCode() 方法生成哈希值，下面是具体实现。

    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    } 

生成哈希值时每次加上 0x61c88647，据了解通过 0x61c88647 计算出来的哈希值能够均匀的分布在 2 的幂大小的数组中，有兴趣的可以网上查一下进行详细的了解。

2.2 set 方法

    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 根据当前线程获取对应的 map
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            // key 是当前 ThreadLocal 对象的引用
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

在设置 value 时会先调用 getMap 方法根据当前线程获取对应的 map，如果 map 存在就设置值，不存在则创建 map，下面跟别来看下对应的方法（map.set 方法会在下面分析）。

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

getMap 方法很简单，就是返回当前线程的 threadLocals，这个 threadLocals 就是 ThreadLocalMap 对象。由此可以知道每个 Thread 内部都有一个 ThreadLocalMap 变量。

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

createMap 方法也比较简单，创建一个 ThreadLocalMap 并赋值给当前线程的 threadLocals 变量。

2.3 get 方法

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 根据当前线程获取对应的 map
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            // 根据当前对象获取到对应的 Entry，getEntry 方法会在下面 ThreadLocalMap 中看到
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                // 返回 Entry 中对应的 value
                return result;
            }
        }
        // map 为空时创建
        return setInitialValue();
    }

如果 map 存在的话会先获取到当前线程对应的 map，然后根据当前 ThreadLocal 的弱引用获取 Entry，最终返回 Entry 中的 value 即可。如果 map 不存在则调用 setInitialValue 方法创建，下面是具体实现细节。

    private T setInitialValue() {
        // 获取 initialValue() 方法中对应的 value，
        // 如果没有重写 initialValue 方法会抛空指针异常
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果对应的 map 不为空，则重置对应的 value
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        // map 为空，初始化 map
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }

2.4 remove 方法

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

remove 方法调用了 ThreadLocalMap 中的 remove 方法删除当前线程的，这个方法到下面介绍 ThreadLocalMap 时再详细分析。

三、ThreadLocalMap 源码分析

ThreadLocal 源码中最有意思的就属 ThreadLocalMap 了，它到底有哪些巧妙的设计呢？下面就来一探究竟吧。

3.1 内部相关属性

        /**
         * 哈比表数组默认初始化大小
         */
        private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
        /**
         * 底层哈希表数组
         */
        private Entry[] table;
        /**
         * 哈希表键值对个数
         */
        private int size = 0;
        /**
         * 扩容阈值
         */
        private int threshold; // Default to 0
        /**
         * 设置扩容阈值为容量的 2/3
         */
        private void setThreshold(int len) {
            threshold = len * 2 / 3;
        }
        /**
         * Increment i modulo len.当到数组尾时会从头开始
         */
        private static int nextIndex(int i, int len) {
            return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
        }
        /**
         * Decrement i modulo len.当到数组头部时会从尾部开始
         */
        private static int prevIndex(int i, int len) {
            return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
        }

ThreadLocalMap 与 HashMap 最大的不同是当发生哈希冲突时不通过链表形式来解决冲突，而是使用线性探测法解决哈希冲突。ThreadLocalMap 的扩容阈值是 2/3，与 IdentityHashMap 一致，有兴趣的可以看下 IdentityHashMap，它们两个的结构是很相似的。

3.2 构造函数

我们来看其中一个构造函数。

        /**
         * 第一次添加的时候会调用该构造函数进行初始化，并设置第一个线程对应的 key 与 value
         */
        ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
            // 初始化哈希表数组
            table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
            // 计算桶位置，这个哈希值的计算在上面我们解释过
            int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
            // 设置到对应的桶位置上（已经有了一个 key 与 value）
            table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
            // 初始化 size 为 1
            size = 1;
            // 设置扩容阈值为初始容量的 2/3
            setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
        }

当设置扩容阈值时调用了 setThreshold 方法，这个方法很简单，就是把阈值设置为数组长度的 2/3。

        private void setThreshold(int len) {
            threshold = len * 2 / 3;
        }

3.3 Entry 结构

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

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                // key 为弱引用
                super(k);
                value = v;
            }
        }

ThreadLocalMap 中存储键值对的结构是 Entry，Entry 实现了 WeakReference 类使 key 成为一个弱引用。Java 语言的弱引用对象意味着只要被垃圾收集器线程扫描到，那么不管当前内存是否足够都会被回收。关于强引用、软引用、弱引用与虚引用的差别可以查阅资料进行详细了解。

3.4 set 方法

ThreadLocalMap 添加键值对的方法不是 put 而是 set，如下：

        private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
            // 获取哈希表数组 
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            // 计算 key 对应的桶位置
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

            // e != null 意味着哈希冲突或是 key 重复
            // e = tab[i = nextIndex(i, len)] 线性探测法解决哈希冲突
            for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                // 获取 key 的引用
                ThreadLocal<?> k = e.get();

                // key 重复，value 覆盖
                if (k == key) {
                    e.value = value;
                    return;
                }

                // entry 不为 null，key 为 null，是因为 key 是弱引用，可能已经被 GC 回收了
                if (k == null) {
                    replaceStaleEntry(key, value, i);
                    return;
                }
            }

            // 找到插入的位置，存储 key 与 value
            tab[i] = new Entry(key, value);
            int sz = ++size;
            // cleanSomeSlots 用于删除可能已经被 GC 回收的 key
            // 如果没有 key 被 GC 回收，并且哈希表数组中的键值对数量大于 2/3，执行扩容操作
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                rehash();
        }

当插入键值对的时候，先根据哈希值计算出在哈希表数组中的位置，如果当前桶位置上的 entry 不为空，意味着出现哈希冲突或者是 key 重复。key 重复时直接将原来的 value 覆盖即可，上面我们已经提到了如果发生哈希冲突，ThreadLocalMap 通过线性探测法方式解决，因此需要继续从数组当前位置向后查找可插入位置（nextIndex）。当插入键值对过后会判断是否需要对哈希表数组扩容，整体的流程还是很清晰的。下面是 nextIndex 的具体实现：

        private static int nextIndex(int i, int len) {
            return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
        }

当查找到数组尾部时，如果还没有找到要插入的位置，会从头继续查找，因此可以把哈希表数组理解为一个环状的结构。

ThreadLocalMap 的 key 因为是弱引用，因此当发生哈希冲突时，冲突的 entry 可能不为 null，而 key 为 null（弱引用被 GC 回收），如果 key 为 null 则调用 replaceStaleEntry 方法，下面就来看一下这个方法：

        private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
                                       int staleSlot) {
            // 获取哈希表数组
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            Entry e;
            
            // 记录 key 被擦除的桶位置（为 staleSlot 位置前的第一个连续的 key 被擦除的索引
            // 或 staleSlot 位置后第一个连续的 key 被擦除或 key 重复的索引）
            int slotToExpunge = staleSlot;

            // 寻找 staleSlot 索引前连续不为 null 的 key 被擦除的桶位置
            // 注意循环结束的条件是 e == null 与 IdentityHashMap 相同，也是线性探测法解决哈希冲突的截止条件，有兴趣的可以看下 IdentityHasHMap
            for (int i = prevIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = prevIndex(i, len))
                if (e.get() == null)
                    slotToExpunge = i;
                    
            // 向后查找
            for (int i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                
                // key 重复
                if (k == key) {
                    e.value = value;

                    // i 位置与 staleSlot 位置的 entry 互换，因为 staleSlot 位置上的 key 已经被回收，没有意义了
                    // TODO 那为什么不把 key 被 GC 回收的 entry 置为 null 而是位置互换呢？不要急，下面 expungeStaleEntry 方法会做
                    tab[i] = tab[staleSlot];
                    tab[staleSlot] = e;

                    // Start expunge at preceding stale entry if it exists
                    // slotToExpunge == staleSlot 意味着向前没有查找到连续的键值对 key 被擦除的情况
                    if (slotToExpunge == staleSlot)
                        slotToExpunge = i;
                    // 将 slotToExpunge 位置上的 entry 清除
                    cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
                    return;
                }

                // 如果 i 位置上的 key 也已经被擦除将 slotToExpunge 置为 i
                if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
                    slotToExpunge = i;
            }

            // If key not found, put new entry in stale slot
            // 把新的键值对直接存储在 staleSlot 位置
            tab[staleSlot].value = null;
            tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

            // If there are any other stale entries in run, expunge them
            // 如果向前或向后找到了 key 被擦除的 entry，则清除 slotToExpunge 位置上的键值对
            if (slotToExpunge != staleSlot)
                cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
        }

replaceStaleEntry 方法相对来说比较难以理解，这里总结下我的思路过程，如果大家觉得哪里不对，可以在下面留言。首先我们先确定下 replaceStaleEntry 方法中的 staleSlot 字段，它表示新增键值对时 key 重复且 key 被 GC 回收情况下在哈希表数组中的位置。

replaceStaleEntry 方法先从 staleSlot 位置向前查找 entry 不为 null，key 为 null 的 键值对，记录在哈希表数组中的位置，注意这里循环结束的条件是 (e = tab[i]) != null，只要 entry 为 null 就停止循环，这个是线形探测法解决哈希冲突的重要判断条件，在 IdentityHashMap 中也有体现。

向前查找过后开始向后查找，结束的条件与之前一致，只不过向后查找可能会出现 key 相同的情况，如果 key 重复则重置其 value，然后把 staleSlot 位置与 i 位置的键值对位置互换，为什么要互换呢？原因是 staleSlot 位置上的 entry 的 key 已经被 GC 回收了，为了保证哈希冲突的所有键值对连续，因此需要把后面冲突的键值对前移。

接下来看这一段代码：

                    if (slotToExpunge == staleSlot)
                        slotToExpunge = i;
                    // 将 slotToExpunge 位置上的 entry 清除
                    cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);

slotToExpunge == staleSlot 表示向前没有查找到连续的键值对 key 被擦除的情况，把 slotToExpunge 的值置为了 i，然后执行了 cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len)，这个 slotToExpunge 在这里表示键值对交换过之后 key 被 GC 回收的那个 entry 所在哈希表数组中索引的位置。因为它的 key 已经被 GC 回收了，就意味着这个键值对没有存在的必要了，需要对其清除，于是就执行了 expungeStaleEntry 方法：

        private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;

            // value 置 null，对应桶位置上的 Entry 也置 null
            tab[staleSlot].value = null;
            tab[staleSlot] = null;
            // 键值对数量减 1
            size--;

            Entry e;
            int i;
            // 删除一个 key 被擦除的键值对，可能因为之前哈希冲突，导致后面桶位置上的键值对位置不准确，因此要向前调整后面桶位置上的键值对
            // 从 staleSlot 位置向后遍历，要求必须连续，与 IdentityHashMap 一致 
            for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                // 如果后面桶位置上键值对被擦除，则直接清除，因此 expungeStaleEntry 方法并不是只清除 staleSlot 位置上的键值对
                if (k == null) {
                    e.value = null;
                    tab[i] = null;
                    size--;
                } else {
                    // 并不是向前移动，而是重新 rehash，计算对应的桶位置
                    // TODO 重点理解，重新 rehash 解决之前可能存在哈希冲突的情况
                    int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
                    if (h != i) {
                        tab[i] = null;

                        // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                        // null because multiple entries could have been stale.
                        while (tab[h] != null)
                            h = nextIndex(h, len);
                        tab[h] = e;
                    }
                }
            }
            // 返回 staleSlot 之后第一个键值对为 null 的桶位置
            return i;
        }

expungeStaleEntry 中上来就对 staleSlot 位置上的键值对置 null，然后键值对的数量减一，但是并不说删除一个键值对这里就结束了。我们说过 ThreadLocalMap 是通过线性探测法来解决哈希冲突的，当删除一个键值对之后需要从当前删除的位置向后循环，判断后面是否存在因为哈希冲突被移动到后面去的键值对，如果有就重新计算其哈希值，然后存储到对应的位置上，当然重新计算哈希值也要考虑哈希冲突。顺便在这里提一下，这里与 IdentityhashMap 的处理方式是不同的，IdentitiHashMap 并不会重新计算后面冲突的 key 的哈希值而是采取向前移动的方式来解决。

到这里还不算完，expungeStaleEntry 方法中返回了一个 i，这个 i 表示 staleSlot 位置后第一个 key 被 GC 回收的数组索引位置。执行完 expungeStaleEntry 方法后根据其返回值又执行了 cleanSomeSlotsc 方法，这个方法又是干嘛的呢？下面来简单的分析一下：

        private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
            boolean removed = false;
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            do {
                i = nextIndex(i, len);
                // 获取对应桶位置上的 Entry
                Entry e = tab[i];
                // Entry 不为 null，key 为 null 是因为 key 是弱引用可能会被 GC 回收，因此需要在哈希表中删除
                if (e != null && e.get() == null) {
                    n = len;
                    // 如果有键值对被擦出就返回 true
                    removed = true;
                    // 删除 i 位置上的键值对
                    i = expungeStaleEntry(i);
                }
            } /* 对数扫描，并不会扫描整个哈希表数组 */while ( (n >>>= 1) != 0);
            return removed;
        }

根据 cleanSomeSlots 的方法名我们应该可以知道这个方法大概做了什么，清除一些哈希槽位置上的键值对。这个方法会循环向后判断当前桶位置上的 key 是否被 GC 回收了，如果被回收了就调用 expungeStaleEntry 方法清除其键值对。注意这里不是一直向后循环，而是采取对数的方式，这就说明，整个循环下来并不会清除所有 key 被 GC 回收的键值对，会存在一些漏网之鱼。

关于 set 方法就简单的分析到这里，其中还有一些细节大家有兴趣可以自己查看，如果哪里有错误的地方大家可以在下面留言交流。

3.5 set 方法之 rehash

我们上面一直在分析哈希冲突的情况，还有一个比较重要的 rehash 过程，添加过键值对后判断是否需要 rehash 的是下面这段代码：

            // !cleanSomeSlots(i, sz) 表示没有键值对因为 key 被回收而清除
            // sz >= threshold 表示哈希表数组中的键值对数量已经大于了扩容阈值
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                rehash();

当判断条件通过后会调用 rehash 方法。

        private void rehash() {
            // 清除所有 key 被擦出的键值对
            expungeStaleEntries();

            // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
            // 再次判断
            // TODO Q：这个判断有什么作用？不可能是 false 的啊
            // A：因为上面调用了 expungeStaleEntries 方法，可能有的键值对被移除导致哈希表数组的键值对非常少，此时就没有扩容的必要了
            if (size >= threshold - threshold / 4)
                resize();
        }

rehash() 方法先调用了 expungeStaleEntries() 方法，这个方法里会循环整个哈希表数组，然后清除所有的 key 被 GC 回收的键值对。

        private void expungeStaleEntries() {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            for (int j = 0; j < len; j++) {
                Entry e = tab[j];
                if (e != null && e.get() == null)
                    expungeStaleEntry(j);
            }
        }

为什么上面已经执行过了 cleanSomeSlots 方法来清除键值对，为什么这里又要判断一次呢？原因就是 cleanSomeSlots 方法并不会循环整个哈希表，会存在一些漏网之鱼，而 expungeStaleEntries() 方法会连那些漏网之鱼一起处理掉。

调用了 expungeStaleEntries() 方法之后，需要重新判断键值对数量，只有当条件满足时才会调用 resize() 方法。下面是 resize() 方法的是实现：

        private void resize() {
            Entry[] oldTab = table;
            int oldLen = oldTab.length;
            // 新哈希表的大小为原哈希表大小的 2 倍
            int newLen = oldLen * 2;
            // 初始化新哈希表
            Entry[] newTab = new Entry[newLen];
            // 记录新哈希表中键值对的个数
            int count = 0;

            // 遍历老哈希表数组，进行 rehash
            for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
                // 获取老哈希表桶位置上的 Entry
                Entry e = oldTab[j];
                if (e != null) {
                    ThreadLocal<?> k = e.get();
                    // 如果 key 被回收，则把 value 也置 null
                    // 无时不刻判断着 key 被擦除的情况
                    if (k == null) {
                        e.value = null; // Help the GC
                    } else {
                        // 计算老哈希表中的键值对在新哈希表中的桶位置
                        int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                        // 这里也可能会产生哈希冲突
                        while (newTab[h] != null)
                            h = nextIndex(h, newLen);
                        newTab[h] = e;
                        count++;
                    }
                }
            }

            // 设置新的扩容阈值，2/3
            setThreshold(newLen);
            size = count;
            // 新的哈希表替代老的哈希表
            table = newTab;
        }

rehash 的过程其实是比较简单的，生成新的哈希表，然后遍历旧的哈希表数组，将键值对重新 rehash 存储到新的哈希表数组中即可。

3.6 getEntry 方法

        private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
            // 获取桶位置
            int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
            // 获取桶位置上对应的链表
            Entry e = table[i];
            // 哈希不冲突，直接获取对应的 value 并返回
            if (e != null && e.get() == key)
                return e;
            // 哈希冲突，则遍历后面的桶位置，进行查找，当然 key 可能因为是弱引用被擦出，需要额外处理
            else
                return getEntryAfterMiss(key, i, e);
        }

getEntry 方法实现很简单，根据 key 的哈希值计算在哈希表数组中的桶位置，然后，如果当前对应的桶位置上的 key 是同一个则直接返回 Entry，反之则调用 getEntryAfterMiss 方法来处理哈希冲突的情况。

        private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;

            // Entry 为 null 作为循环结束条件
            while (e != null) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                // 找到直接返回， value
                if (k == key)
                    return e;
                // 如果 key 被擦出，则清除
                if (k == null)
                    expungeStaleEntry(i);
                else
                    // 重置 i 用于循环遍历
                    i = nextIndex(i, len);
                e = tab[i];
            }
            // 没有找到返回 null
            return null;
        }

代码逻辑很清晰，这里就不进行详细总结了。

3.7 remove 方法

上面我们看了添加方法，下面来看一下删除操作：

        private void remove(ThreadLocal<?> key) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            // 计算出对应的桶位置，当然对应桶位置上的键值对并不一定是当前 key 对应的键值对，因为可能存在哈希冲突
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
            // 从 i 位置向后遍历，遍历结束的位置是后续桶位置上为 null
            for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                if (e.get() == key) {
                    // key 清空
                    e.clear();
                    // 调用 expungeStaleEntry 方法
                    expungeStaleEntry(i);
                    return;
                }
            }
        }

根据 key 就算哈希值，在哈希表数组中找到对应的位置开始循环判断，如果 key 相同则调用 expungeStaleEntry 方法直接清除键值对。PS：注意循环结束条件 e != null。

关于 ThreadLocal 的源码就分析到这里，一千个人眼里有一千个哈姆雷特，只有自己去看了才能有更深刻的了解。

关于 jdk1.8 更多的源码分析，请点击这里前往：jdk1.8 源码阅读