ThreadLocal

1.ThreadLocal 是什么？

ThreadLocal 是一个本地线程副本变量工具类。主要用于将私有线程和该线程存放的副本对象做一个映射，各个线程之间的变量互不干扰，在高并发场景下，可以实现无状态的调用，适用于各个线程不共享变量值的操作。

2.ThreadLocal 工作原理是什么？

ThreadLocal 原理：每个线程的内部都维护了一个 ThreadLocalMap，它是一个 Map（key,value）数据格式，key 是一个弱引用，也就是 ThreadLocal 本身，而 value 存的是线程变量的值。

弱引用, WeakReference当一个对象只用弱引用的时候, 收集器发现它了就会回收它, 没发现就是还可以使用的

软引用, SoftReference 当内存不足的时候, 在进行fullGC之前会回收软引用, 所以使用用来作为缓存

虚引用 PhantomReference 这个引用丝毫不会影响它的回收,虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动

也就是说 ThreadLocal 本身并不存储线程的变量值，它只是一个工具，用来维护线程内部的 Map，帮助存和取变量。

这个类的结构类似, Map<线程ID, Map> 的线程安全的静态类

数据结构，如下图所示：

（图片来源于网络）

3.ThreadLocal 如何解决 Hash 冲突？

ThreadLocalMap 是当前线程对象thread中成员变量, 当set数据的时候, 会获得这个成员变量, 如果获得的是空的就会new一个,

与 HashMap 不同，ThreadLocalMap 结构非常简单，没有 next 引用，也就是说 ThreadLocalMap 中解决 Hash 冲突的方式并非链表的方式，而是采用线性探测的方式。所谓线性探测，就是根据初始 key 的 hashcode 值确定元素在 table 数组中的位置，如果发现这个位置上已经被其他的 key 值占用，则利用固定的算法寻找一定步长的下个位置，依次判断，直至找到能够存放的位置。

ThreadLocal的key 是new的这个对象本身, 且是弱引用.

源代码实现如下：

/
 * Increment i modulo len.
 */
private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

/
 * Decrement i modulo len.
 */
private static int prevIndex(int i, int len) {
    return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}
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4.ThreadLocal 的内存泄露是怎么回事？

ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中是以一个弱引用身份被 Entry 中的 Key 引用的，因此如果 ThreadLocal 没有外部强引用来引用它，那么 ThreadLocal 会在下次 JVM 垃圾收集时被回收。这个时候 Entry 中的 key 已经被回收，但是 value 又是一强引用不会被垃圾收集器回收，这样 ThreadLocal 的线程如果一直持续运行，value 就一直得不到回收，这样就会发生内存泄露。

5.为什么 ThreadLocalMap 的 key 是弱引用？

使用弱引用确实很巧妙, 但是使用不当还是会出现内存泄漏的

意的是Entry中的key是弱引用，当threadLocal外部强引用被置为null(threadLocalInstance=null),那么系统 GC 的时候，根据可达性分析，这个threadLocal实例就没有任何一条链路能够引用到它，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，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。当然，如果当前thread运行结束，threadLocal，threadLocalMap,Entry没有引用链可达，在垃圾回收的时候都会被系统进行回收。在实际开发中，会使用线程池去维护线程的创建和复用，比如固定大小的线程池，线程为了复用是不会主动结束的，所以，threadLocal的内存泄漏问题，是应该值得我们思考和注意的问题，关于这个问题可以看这篇文章----详解threadLocal内存泄漏问题

我们知道 ThreadLocalMap 中的 key 是弱引用，而 value 是强引用才会导致内存泄露的问题，至于为什么要这样设计，这样分为两种情况来讨论：

• key 使用强引用：这样会导致一个问题，引用的 ThreadLocal 的对象被回收了，但是 ThreadLocalMap 还持有 ThreadLocal 的强引用，如果没有手动删除，ThreadLocal 不会被回收，则会导致内存泄漏。
• key 使用弱引用：这样的话，引用的 ThreadLocal 的对象被回收了，由于 ThreadLocalMap 持有 ThreadLocal 的弱引用，即使没有手动删除，ThreadLocal 也会被回收。value 在下一次 ThreadLocalMap 调用 set、get、remove 的时候会被清除。

比较以上两种情况，我们可以发现：由于 ThreadLocalMap 的生命周期跟 Thread 一样长，如果都没有手动删除对应 key，都会导致内存泄漏，但是使用弱引用可以多一层保障，弱引用 ThreadLocal 不会内存泄漏，对应的 value 在下一次 ThreadLocalMap 调用 set、get、remove 的时候被清除，算是最优的解决方案。

6.ThreadLocal 的应用场景有哪些？

mybatis的与spring的结合就是使用的ThreadLocal. 会将数据库连接放入ThreadLoacl中, 当运行某个查询方法的时候, 在AOP的before中获得连接, 并且根据情况开启事务, 在最后after的时候commit连接, 这样用户就可以实现无感知的"不调用"的jdbc来达到操作数据库的目的

ThreadLocal 适用于独立变量副本的情况，比如 Hibernate 的 session 获取场景。

示例代码：

private static final ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();

public static Session getCurrentSession(){
    Session session =  threadLocal.get();
    try {
        if(session ==null&&!session.isOpen()){
            //...
        }
        threadLocal.set(session);
    } catch (Exception e) {
        // TODO: handle exception
    }
    return session;
}
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set方法

与concurrentHashMap，hashMap等容器一样，threadLocalMap也是采用散列表进行实现的。在了解set方法前，我们先来回顾下关于散列表相关的知识（摘自这篇的threadLocalMap的讲解部分以及这篇文章的hash）。

• 散列表

理想状态下，散列表就是一个包含关键字的固定大小的数组，通过使用散列函数，将关键字映射到数组的不同位置。下面是

理想散列表的一个示意图

在理想状态下，哈希函数可以将关键字均匀的分散到数组的不同位置，不会出现两个关键字散列值相同（假设关键字数量小于数组的大小）的情况。但是在实际使用中，经常会出现多个关键字散列值相同的情况（被映射到数组的同一个位置），我们将这种情况称为散列冲突。为了解决散列冲突，主要采用下面两种方式： 分离链表法（separate chaining）和开放定址法（open addressing）

• 分离链表法

分散链表法使用链表解决冲突，将散列值相同的元素都保存到一个链表中。当查询的时候，首先找到元素所在的链表，然后遍历链表查找对应的元素，典型实现为hashMap，concurrentHashMap的拉链法。下面是一个示意图：

分离链表法示意图

图片来自 http://faculty.cs.niu.edu/~freedman/340/340notes/340hash.htm

• 开放定址法

开放定址法不会创建链表，当关键字散列到的数组单元已经被另外一个关键字占用的时候，就会尝试在数组中寻找其他的单元，直到找到一个空的单元。探测数组空单元的方式有很多，这里介绍一种最简单的 – 线性探测法。线性探测法就是从冲突的数组单元开始，依次往后搜索空单元，如果到数组尾部，再从头开始搜索（环形查找）。如下图所示：

开放定址法示意图

图片来自 http://alexyyek.github.io/2014/12/14/hashCollapse/

关于两种方式的比较，可以参考 这篇文章。ThreadLocalMap 中使用开放地址法来处理散列冲突，而 HashMap 中使用的分离链表法。之所以采用不同的方式主要是因为：在 ThreadLocalMap 中的散列值分散的十分均匀，很少会出现冲突。并且 ThreadLocalMap 经常需要清除无用的对象，使用纯数组更加方便。

在了解这些相关知识后我们再回过头来看一下set方法。set方法的源码为：

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;
    //根据threadLocal的hashCode确定Entry应该存放的位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    //采用开放地址法，hash冲突的时候使用线性探测
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal k = e.get();
        //覆盖旧Entry
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        //当key为null时，说明threadLocal强引用已经被释放掉，那么就无法
        //再通过这个key获取threadLocalMap中对应的entry，这里就存在内存泄漏的可能性
        if (k == null) {
            //用当前插入的值替换掉这个key为null的“脏”entry
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }
    //新建entry并插入table中i处
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    //插入后再次清除一些key为null的“脏”entry,如果大于阈值就需要扩容
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

作者：你听___

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来源：简书

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