一、基本概念

1.1 ThreadLocal 的用途

首先，我们来看一下JDK源码中对于ThreadLocal的解释：

This class provides thread-local variables. These variables differ from their normal counterparts in that each thread that accesses one has its own, independently initialized copy of the variable. ThreadLocal instances are typically privatestatic fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g., a user ID or Transaction ID).

翻译过来就是：

ThreadLocal用来提供线程内的局部变量。这些变量在多线程环境下访问时能够保证各个线程里的变量相对独立于其它线程内的变量，ThreadLocal实例通常来说都是private static类型的。

因此，ThreadLocal适用于满足下面条件的场景：

每个线程 有且仅有 该对象的一个实例
在该线程的整个生命周期内 有多处用到 该实例
存在 多线程访问 的情况

1.2 ThreadLocal 的使用

ThreadLocal的API很简单，它包含以下四个签名：

get：获取ThreadLocal中当前线程共享变量的值。
set：设置ThreadLocal中当前线程共享变量的值。
remove：移除ThreadLocal中当前线程共享变量的值。
initialValue：ThreadLocal没有被当前线程赋值时或当前线程刚调用remove方法后调用get方法，返回此方法值。

我们用下面的一小段例子，来熟悉一下ThreadLocal的使用。

class ThreadLocalSamples {

    private static ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal() {

        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 5;
        }

    };

    static void startSample() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new SampleThread("thread_" + i).start();
        }
    }

    private static class SampleThread extends Thread {

        private String mThreadName;

        SampleThread(String threadName) {
            mThreadName = threadName;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int j = 0; j < 5; j++) {
                try {
                    long sleep = (long) (Math.random() * 50);
                    Thread.sleep(sleep);
                    int result = sThreadLocal.get();
                    sThreadLocal.set(++result);
                    Log.d("ThreadLocalSamples", "ThreadName=" + mThreadName + ",result=" + result);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

运行结果：

运行结果

从打印的结果可以看到，虽然这 3个线程访问是同一个 ThreadLocal实例，但是它们通过 ThreadLocal的 get/set方法读写的并不是同一个实例，所以保证了在多线程环境下的独立性。

二、源码

2.1 源码实现

为了加深对于ThreadLocal的理解，我们来分析一下它的内部实现。ThreadLocal设计的核心思想就是：每一个Thread维护一个ThreadLocalMap，ThreadLocalMap的key是ThreadLocal，而value就是真正要存储的Object。这种方案设计的优点是：

每个Map的Entry数量变小了，之前是Thread的数量，现在是ThreadLocal的数量，能提高性能。
当Thread销毁之后对应的ThreadLocalMap也就随之销毁了，能减少内存使用量。

我们先来看一下set和get的主要流程：

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

    private T setInitialValue() {
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }

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

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

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

写入的流程为：

通过静态方法currentThread获取当前执行指令的线程。
得到该线程的私有成员变量threadLocals，其类型为ThreadLocalMap，如果没有创建那么就先创建。
通过ThreadLocalMap的set方法存入实际的Object，其key值为ThreadLocal实例。

读取的流程为：

通过静态方法currentThread获取当前执行指令的线程，然后获取和该线程关联的ThreadLocalMap
以ThreadLocal实例为key值，通过ThreadLocalMap的getEntry方法找到Object，如果找到就直接返回；如果没有找到就调用setInitialValue方法，该方法会调用到我们重写的initialValue来尝试获取一个初始值。

总结下来就是：ThreadLocal将一个共用的ThreadLocal静态实例作为key，将不同对象的引用保存到不同线程的ThreadLocalMap中，然后在线程执行的各处通过这个静态ThreadLocal实例的get()方法取得自己线程保存的那个对象，避免了将这个对象作为参数传递的麻烦。

它之所以可保证 多线程环境下的相互独立，原因在于：每个线程中都有一个自己的ThreadLocalMap类对象，可以将线程自己的对象保持到其中，线程可以正确的访问到自己的对象。

当然，这种 独立性必须要基于一个前提：通过set方法存储的对象并不是多个线程共享的。如果是共享的，那么多个线程get出来的是同一个是实例，仍然会存在多线程问题。

2.2 ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal中的一个内部类，与HashMap类似，它也会遇到Hash冲突的问题，HashMap采用了 链地址法 解决冲突，而ThreadLocalMap则采用 开放寻址法 解决冲突。

关于ThreadLocalMap还有一个疑问，就是它有可能会出现内存泄漏，原因是：ThreadLocalMap的key值保存的是ThreadLocal的弱引用，假如ThreadLocal被回收，那么就会无法通过Key找到Object，假如线程一直没有结束，那么这些Object就永远不会被回收。

在ThreadLocalMap内部对于这种情况做了优化，就是在getEntry和set方法查找存储位置的时候，如果发现了key为null的槽，那么会将这些槽中对应的Object引用置为null。这并不能解决所有问题，对于使用者来说，可以做额外的两项优化操作：

手动调用ThreadLocal的remove函数，删除不再需要的ThreadLocal
将ThreadLocal声明为private static的，使得ThreadLocal的生命周期更长。

参考文献

(1) 正确理解 ThreadLocal
(2) 深入剖析 ThreadLocal 实现原理以及内存泄漏问题
(3) ThreadLocal 和 synchronized 的区别

多线程知识梳理(9) - ThreadLocal