并发编程之ThreadLocal深入理解

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前言

在日常的开发中,我们经常会遇到在当前运行线程中保存一些信息,并且各线程之间是隔离的,不会相互影响,不存在并发问题,通过这样的方式来实现请求调用链中方法之间参数传递的解耦,提升代码结构的稳定性等。Java ThreadLocal就是用于实现这一目标的。在学习之前我们先带着以下几个问题:

  1. ThreadLocal 是什么?
  2. ThreadLocal 怎么用?
  3. ThreadLocal 和线程同步机制相比较?
  4. ThreadLocal 是如何实现线程隔离的呢?
  5. ThreadLocal 如何避免内存泄漏呢?
  6. ThreadLocal 与 Thread、ThreadLocalMap 之间的关系?

以下分析均基于JDK1.8。

什么是ThreadLocal

ThreadLocal,很多地方叫做线程本地变量,也有些地方叫做线程本地存储。

ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本,那么每个线程可以访问自己内部的副本变量,这样同时多个线程访问该变量并不会彼此相互影响,因此他们使用的都是自己从内存中拷贝过来的变量的副本,这样就不存在线程安全问题,也不会影响程序的执行性能。

注意:虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题,但是由于在每个线程中都创建了副本,所以要考虑它对资源的消耗,比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

ThreadLocal 怎么用

通常使用静态的变量来维护ThreadLocal,如:

static ThreadLocal sThreadLocal = new ThreadLocal

会自动在每一个线程上创建一个 T 的副本,副本之间彼此独立,互不影响,可以用 ThreadLocal 存储一些参数,以便在线程中多个方法中使用,用以代替方法传参的做法。

通过一个例子来了解 ThreadLocal:

package com.niuh.threadlocal;

/**
 * 

* ThreadLocal 示例 *

*/ public class ThreadLocalDemo { /** * ThreadLocal变量,每个线程都有一个副本,互不干扰 */ public static final ThreadLocal THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>(); public static void main(String[] args) throws Exception { new ThreadLocalDemo().threadLocalTest(); } public void threadLocalTest() throws Exception { // 主线程设置值 THREAD_LOCAL.set("一角钱技术"); String v = THREAD_LOCAL.get(); System.out.println("Thread-0线程执行之前," + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值:" + v); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { String v = THREAD_LOCAL.get(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值:" + v); // 设置 threadLocal THREAD_LOCAL.set("一角钱技术2020"); v = THREAD_LOCAL.get(); System.out.println("重新设置之后," + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值为:" + v); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行结束"); } }).start(); // 等待所有线程执行结束 Thread.sleep(3000L); v = THREAD_LOCAL.get(); System.out.println("Thread-0线程执行之后," + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值:" + v); } }

首先通过 static final 定义了一个 THREAD_LOCAL 变量,其中 static 是为了确保全局只有一个保存 String 对象的 ThreadLocal 实例;final 确保 ThreadLocal 的实例不可更改,防止被意外改变,导致放入的值和取出来的不一致,另外还能防止 ThreadLocal 的内存泄漏。上面的例子是演示在不同的线程中获取它会得到不同的结果,运行结果如下:

Thread-0线程执行之前,main线程取到的值:一角钱技术
Thread-0线程取到的值:null
重新设置之后,Thread-0线程取到的值为:一角钱技术2020
Thread-0线程执行结束
Thread-0线程执行之后,main线程取到的值:一角钱技术
  • 首先在 Thread-0 线程执行之前,先给 THREAD_LOCAL 设置为 一角钱技术,然后可以取到这个值;
  • 然后通过创建一个新的线程以后去取这个值,发现新线程取到的为 null,意味着这个变量在不同线程中取到的值是不同的,不同线程之间对于 ThreadLocal 会有对应的副本;
  • 接着在线程 Thread-0 中执行对 THREAD_LOCAL 的修改,将值改为 一角钱技术2020,可以发现线程 Thread-0 获取的值变为了 一角钱技术2020,主线程依然会读取到属于它的副本数据 一角钱技术,这就是线程的封闭。

看到这里,我相信大家一定会好奇 ThreadLocal 是如何做到多个线程对同一对象 set 操作,但是 get 获取的值还都是每个线程 set 的值呢。

ThreadLocal和线程同步机制相比较

ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

在同步机制中,通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的,使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写,什么时候需要锁定某个对象,什么时候释放对象锁等繁杂的问题,程序设计和编写难度相对较大。

而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本,从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象,在编写多线程代码时,可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

总的来说,对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。

ThreadLocal源码解析

成员变量

// 当前 ThreadLocal 的 hashCode,由 nextHashCode() 计算而来
// 用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
// 哈希魔数,主要与斐波那契散列法以及黄金分割有关
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
// 返回计算出的下一个哈希值,其值为 i * HASH_INCREMENT,其中 i 代表调用次数
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
// 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

其中的 HASH_INCREMENT 也不是随便取的,它转化为十进制是 16405315272654435769 转换成 int 类型就是 -16405315272654435769 等于 (√5-1)/2 乘以 2 的 32 次方。(√5-1)/2 就是黄金分割数,近似为 0.618,也就是说 0x61c88647 理解为一个黄金分割数乘以 2 的 32 次方,它可以保证 nextHashCode 生成的哈希值,均匀的分布在 2 的幂次方上,且小于 2 的 32 次方。

下面是 javaspecialists 中一篇文章对它的介绍:

This number represents the golden ratio (sqrt(5)-1) times two to the power of 31 ((sqrt(5)-1) * (2^31)). The result is then a golden number, either 2654435769 or -1640531527.

下面用例子来证明下:

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

public static void main(String[] args) throws Exception {
    int n = 5;
    int max = 2 << (n - 1);
    for (int i = 0; i < max; i++) {
        System.out.print(i * HASH_INCREMENT & (max - 1));
        System.out.print(" ");

    }
}

运行结果为:0 7 14 21 28 3 10 17 24 31 6 13 20 27 2 9 16 23 30 5 12 19 26 1 8 15 22 29 4 11 18 25

可以发现元素索引值完美的散列在数组当中,并没有出现冲突。

内部类ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类,当一个线程有多个 ThreadLocal 时,需要一个容器来管理多个 ThreadLocal,ThreadLocalMap 的作用就是管理线程中多个 ThreadLocal。

ThreadLocalMap 其实就是一个简单的 Map 结构,底层是数组,有初始化大小,也有扩容阈值大小,数组的元素是 Entry。

ThreadLocalMap的数据结构是一个用数组表示的环,数组长度必须是2的次幂,同样通过hash方式确定节点在数组中的下标(hash值是ThreadLocal的递增变量,而不是hashcode值),对于hash冲突的情况,采用线性探测法,直接将元素防止对应下标后面的下一个空闲单元。

ThreadLocalMap的key采用的是弱引用WeakReference,因此在使用过程中还需要注意及时清理key已经被gc回收的节点,及时释放无效空间。

关于弱引用可以查看《Java基础 |强引用、弱引用、软引用、虚引用》

成员属性

// 初始容量,必须为 2 的幂
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

// 存储 ThreadLocal 的键值对实体数组,长度必须为 2 的幂
private Entry[] table;

// ThreadLocalMap 元素数量
private int size = 0;

//扩容的阈值,默认是数组大小的三分之二
private int threshold; // Default to 0

Entry类

Entry是ThreadLocalMap的内部类,用来表示其中的节点,继承了弱引用WeadReference类。

// 键值对实体的存储结构
static class Entry extends WeakReference> {
    // 当前线程关联的 value,这个 value 并没有用弱引用追踪
    Object value;
    /**
     * 构造键值对
     *
     * @param k k 作 key,作为 key 的 ThreadLocal 会被包装为一个弱引用
     * @param v v 作 value
     */     
    Entry(ThreadLocal k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

Entry 的 key 就是 ThreadLocal 的引用,value 是 ThreadLocal 的值。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。

弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够与否,都会回收它的内存。不过,由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程,因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

构造方法

ThreadLocalMap 提供了两个构造方法:

  1. ThreadLocalMap#ThreadLocalMap(ThreadLocal, Object)
ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue) {
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
  • 根据第一个节点的key和value初始化map。
  • 初始化数组,确定节点在数组的下标,初始化table[i],设置size和threshold。
  • 进行散列的hash值是ThreadLocal的threadLocalHashCode,递增生成。
  1. ThreadLocalMap#ThreadLocalMap(ThreadLocalMap)
private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
    Entry[] parentTable = parentMap.table;
    int len = parentTable.length;
    setThreshold(len);
    table = new Entry[len];

    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = parentTable[j];
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            ThreadLocal key = (ThreadLocal) e.get();
            if (key != null) {
                Object value = key.childValue(e.value);
                Entry c = new Entry(key, value);
                int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
                while (table[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                table[h] = c;
                size++;
            }
        }
    }
}
 
 

初始化数组和threshold,遍历节点加入数组。

擦除机制

ThreadLocalMap中内部类Entry,继承了WeakReference,其key值是弱引用类型,在没有强引用时会被gc回收,因此ThreadLocalMap要及时对这部分过期节点进行擦除。

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

    // expunge entry at staleSlot
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    // Rehash until we encounter null
    Entry e;
    int i;
    for (i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal k = e.get();
        if (k == null) {
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {
            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;
            }
        }
    }
    return i;
}

擦除staleSlot处的无效节点,同时扫描处于staleSlot + 1 – 下一个null节点之间的节点,对于过期节点进行擦除,有效节点rehash,判断是否需要修改位置。

  1. ThreadLocalMap#expungeStaleEntries()
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);
    }
}

全量扫描擦除,遍历数组中的所有节点,对于过期节点调用擦除方法expungeStaleEntry进行擦除。

  1. ThreadLocalMap#cleanSomeSlots(int i, int n)
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
    boolean removed = false;
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    do {
        i = nextIndex(i, len);
        Entry e = tab[i];
        if (e != null && e.get() == null) {
            n = len;
            removed = true;
            i = expungeStaleEntry(i);
        }
    } while ( (n >>>= 1) != 0);
    return removed;
}

启发式扫描擦除。从 i+1 开始扫描检查,如果连续log n个单元不需要擦除则结束方法,否则找到一个过期节点,重置计数,将n置为数组长度,重新开始新一轮的扫描。只有扫描过程中有一个过期节点,则认为擦除成功,返回true。

ThreadLocalMap#getEntry(ThreadLocal)

/**
 * 返回 key 关联的键值对实体
 *
 * @param key threadLocal
 * @return
 */
private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    // 若 e 不为空,并且 e 的 ThreadLocal 的内存地址和 key 相同,直接返回
    if (e != null && e.get() == key) {
        return e;
    } else {
        // 碰撞查找,从 i 开始向后遍历找到键值对实体
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
    }
}

我们再来看一下getEntryAfterMiss方法:

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;
}

用于在查找节点时没有直接命中的情况下进行线性的碰撞查找,对照查找过程中的过期节点,进行擦除。

ThreadLocalMap#remove(ThreadLocal)

private void remove(ThreadLocal key) {
    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)]) {
        if (e.get() == key) {
            e.clear();
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

根据key值移除节点。找到节点后不是简单的将该节点置为null,还需要调用擦除方法,不然该节点后面的hash冲突节点会无法通过getEntry获取到。

ThreadLocalMap#set(ThreadLocal, Object)

调用set() 时,会把当前 threadLocal 对象作为 key,想要保存的对象作为 value,存入 map。用于增加或覆盖节点,类似于Map接口的put方法。

/**
 * 在 map 中存储键值对
 *
 * @param key   threadLocal
 * @param value 要设置的 value 值
 */
private void set(ThreadLocal key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 计算 key 在数组中的下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
    // 遍历一段连续的元素,以查找匹配的 ThreadLocal 对象
    for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        // 获取该哈希值处的ThreadLocal对象
        ThreadLocal k = e.get();

        // 键值ThreadLocal匹配,直接更改map中的value
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }

        // 若 key 是 null,说明 ThreadLocal 被清理了,直接替换掉
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    // 直到遇见了空槽也没找到匹配的ThreadLocal对象,那么在此空槽处安排ThreadLocal对象和缓存的value
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    // 进行启发式擦除,节点数量大于阈值。如果右节点擦除成功,节点数量不可能大于阈值
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) {
        // 扩容的过程也是对所有的 key 重新哈希的过程
        rehash();
    }
}

我们依次来看看调用的几个方法:

  1. ThreadLocalMap#replaceStaleEntry(ThreadLocal, Object, int)
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal key, Object value,
                                int staleSlot) {
     Entry[] tab = table;
     int len = tab.length;
     Entry e;

     // Back up to check for prior stale entry in current run.
     // We clean out whole runs at a time to avoid continual
     // incremental rehashing due to garbage collector freeing
     // up refs in bunches (i.e., whenever the collector runs).
     int slotToExpunge = staleSlot;
     for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
          (e = tab[i]) != null;
          i = prevIndex(i, len))
         if (e.get() == null)
             slotToExpunge = i;

     // Find either the key or trailing null slot of run, whichever
     // occurs first
     for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
          (e = tab[i]) != null;
          i = nextIndex(i, len)) {
         ThreadLocal k = e.get();

         // If we find key, then we need to swap it
         // with the stale entry to maintain hash table order.
         // The newly stale slot, or any other stale slot
         // encountered above it, can then be sent to expungeStaleEntry
         // to remove or rehash all of the other entries in run.
         if (k == key) {
             e.value = value;

             tab[i] = tab[staleSlot];
             tab[staleSlot] = e;

             // Start expunge at preceding stale entry if it exists
             if (slotToExpunge == staleSlot)
                 slotToExpunge = i;
             cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
             return;
         }

         // If we didn't find stale entry on backward scan, the
         // first stale entry seen while scanning for key is the
         // first still present in the run.
         if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
             slotToExpunge = i;
     }

     // If key not found, put new entry in stale slot
     tab[staleSlot].value = null;
     tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

     // If there are any other stale entries in run, expunge them
     if (slotToExpunge != staleSlot)
         cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
 }

slotToExpunge 表示第一个过期节点

  • 从staleSlot向前扫描,扫描到第一个为null的节点截止,如果中间有过期节点,记录扫描过程中遇到的最后一个过期节点的下标为 slotToExpunge;
  • 从staleSlot向后扫描,扫描找到key值对应的节点或null节点截止:
    • 如果在 [从staleSlot向前扫描] 中没有找到过期节点,需要本次扫描中遇到的第一个过期节点的下标记录为 slotToExpunge ;
    • 如果找到来 key值对应的节点,覆盖后将该节点移到 staleSlot 处,并将该节点的原来的位置作为过期节点处理;
    • 如果没有找到节点,新建节点放置到 staleSlot 处。
  • 如果在两次扫描中找到了过期节点,先对该节点进行擦除,并调用启发式扫描擦除。

总体来说,假如 i 下标处的节点是 staleSlot 节点左边离得最近的null节点,j 下标处的节点是 staleSlot 节点右边离得最近的null节点,并且key值对应的节点作为过期节点处理。

那么该方法的功能就两段:

  • 将 key、value 组成节点放到 staleSlot 处;
  • 如果在(i — j)的序列中扫描到了过期节点,那么擦除该节点,并从该节点后的第一个null节点开始启发式擦除。

之所以需要向前扫描,是为了避免在扫描过程中对有效节点的rehash后出现由过期节点导致的hash冲突。

  1. ThreadLocalMap#rehash()
private void rehash() {
    expungeStaleEntries();

    // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();
}

启动全局扫描擦除,擦除后再次判断是否需要扩容。之所以叫做rehash,可以理解成在全局扫描中所有的有效节点都需要重新hash确定位置。可以看到,并不是节点数量大于阈值后就会触发扩容,只有全局扫描擦除后数量仍大于阈值的3/4(容量的1/2)才会进行扩容。

  1. ThreadLocalMap#resize()
/**
* 扩容,重新计算索引,标记垃圾值,方便 GC 回收
*/
private void resize() {
    Entry[] oldTab = table;
    int oldLen = oldTab.length;
    // 新建一个数组,按照2倍长度扩容
    int newLen = oldLen * 2;
    Entry[] newTab = new Entry[newLen];
    int count = 0;
    // 将旧数组的值拷贝到新数组上
    for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
        Entry e = oldTab[j];
        if (e != null) {
            ThreadLocal k = e.get();
            // 若有垃圾值,则标记清理该元素的引用,以便GC回收
            if (k == null) {
                e.value = null; // Help the GC
            } else {
                // 计算 ThreadLocal 在新数组中的位置
                int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                如果发生冲突,使用线性探测往后寻找合适的位置
                while (newTab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, newLen);
                    newTab[h] = e;
                    count++;
                }
            }
    }
    // 设置新的扩容阀值,为数组成都的三分之二
    setThreshold(newLen);
    size = count;
    table = newTab;
}

建立新数组,容量为原来的2倍,遍历数组中的元素,将有效节点hash后放入新数组,设置threshold,size等属性。

ThreadLocal的 remove 方法

remove 方法源码如下所示:

/**
 * 清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对
 */
public void remove() {
    // 返回当前线程持有的 map
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null) {
        // 从 map 中清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对
        m.remove(this);
    }
}

remove 方法的时序图如下所示:


remove 方法是先获取到当前线程的 ThreadLocalMap,并且调用了它的 remove 方法,从 map 中清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对,这样 value 就可以被 GC 回收了。

ThreadLocal的 set 方法

set 方法源码如下:

/**
 * 为当前 ThreadLocal 对象关联 value 值
 *
 * @param value 要存储在此线程的线程副本的值
 */
public void set(T value) {
    // 返回当前ThreadLocal所在的线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 返回当前线程持有的map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // 如果 ThreadLocalMap 不为空,则直接存储键值对
        map.set(this, value);
    } else {
        // 否则,需要为当前线程初始化 ThreadLocalMap,并存储键值对 
        createMap(t, value);
    }
}

set 方法的作用是把我们想要存储的 value 给保存进去。其主要流程为:

  1. 先获取当当前线程的引用;
  2. 利用这个引用来获取到 ThreadLocalMap;
  3. 如果 map 为空,则去创建一个 ThreadLocalMap;
  4. 如果 map 不为空,就利用 ThreadLocalMap 的 set 方法将 value 添加到 map 中。

其中 map 就是 ThreadLocalMap。

调用 ThreadLocalMap.set() 时,会把当前 threadLocal 对象作为 key,想要保存的对象作为 value,存入 map。

set 方法的时序图如下所示:


ThreadLocal的 getMap 方法

/**
 * 返回当前线程 thread 持有的 ThreadLocalMap
 *
 * @param t 当前线程
 * @return ThreadLocalMap
 */
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

getMap 方法的作用主要是获取当前线程内的 ThreadLocalMap 对象,原来这个 ThreadLocalMap 是线程Thread类的一个属性,我们来看看 Thread 中相关的代码:

/**
 * ThreadLocal 的 ThreadLocalMap 是线程的一个属性,所以在多线程环境下 threadLocals 是线程安全的
 */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

ThreadLocal的 get 方法

get 方法源码如下:

/**
 * 返回当前 ThreadLocal 对象关联的值
 *
 * @return
 */
public T get() {
    // 返回当前 ThreadLocal 所在的线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 从线程中拿到 ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // 从 map 中拿到 entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        // 如果不为空,读取当前 ThreadLocal 中保存的值
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T) e.value;
            return result;
        }
    }
    // 若 map 为空,则对当前线程的 ThreadLocal 进行初始化,最后返回当前的 ThreadLocal 对象关联的初值,即 value
    return setInitialValue();
}

get 方法的主要流程为:

  1. 先获取到当前线程的引用;
  2. 获取当前线程内部的 ThreadLocalMap;
  3. 如果 map 存在,则获取当前 ThreadLocal 对应的 value 值;
  4. 如果 map 不存在或者找不到 value 值,则调用 setInitialValue() 进行初始化。

get 方法的时序图如下所示:


其中每个 Thread 的 ThreadLocalMap 以 threadLocal 作为 key,保存自己的线程的 value 副本,也就是保存在每个线程中,并没有保存在 ThreadLocal 对象中。

小结

通过对源码的分析,现在我们来总结一下:

  1. 每个Thread维护着一个ThreadLocalMap的引用;
  2. ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类,用Entry来进行存储;
  3. ThreadLocal创建的副本是存储在自己的threadLocals中的,也就是自己的ThreadLocalMap;
  4. ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象,而且可以有多个threadLocal变量,因此保存在map中;
  5. 在进行get之前,必须先set,否则会报空指针异常,当然也可以初始化一个,但是必须重写initialValue()方法;
  6. ThreadLocal本身并不存储值,它只是作为一个key来让线程从ThreadLocalMap获取value。

ThreadLocal 应用场景

ThreadLocal 的特性也导致了应用场景比较广泛,主要的应用场景如下:

  • 线程间数据隔离,各线程的 ThreadLocal 互不影响
  • 方便同一个线程使用某一对象,避免不必要的参数传递
  • 全链路追踪中的 traceId 或者流程引擎中上下文的传递一般采用 ThreadLocal
  • Spring 事务管理器采用了 ThreadLocal
  • Spring MVC 的 RequestContextHolder 的实现使用了 ThreadLocal

总结:面试常见问题

Thread、ThreadLocal 以及 ThreadLocalMap关系

通过对以上源码的分析,Thread、ThreadLocal 以及 ThreadLocalMap 的关系有了进一步的理解,我们再通过一张图来总结下:


ThreadLocal 是如何实现线程隔离的呢?

ThreadLocal 是如何做到线程数据隔离,前面源码分析 ThreadLocal 的 set 方法已经分析过,这里我们再总结一下:

ThreadLocal之所以能达到变量的线程隔离,其实就是每个线程都有一个自己的ThreadLocalMap对象来存储同一个threadLocal实例set的值,而取值的时候也是根据同一个threadLocal实例去自己的ThreadLocalMap里面找,自然就互不影响了,从而达到线程隔离的目的。如下图所示:


ThreadLocal内存泄漏问题

ThreadLocal 在没有外部强引用时,发生 GC时会被回收,那么 ThreadLocalMap 中保存的 key 值就变成了 null,而 Entry 又被 threadLocalMap 对象引用,threadLocalMap 对象又被 Thread 对象所引用,那么当 Thread 一直不终结的话,value 对象就会一直存在于内存中,也就导致了内存泄漏,直至 Thread 被销毁后,才会被回收。我们通过一张图来理解下:


ThreadLocal内存泄漏的根源是:由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长,如果没有手动删除对应key就会导致内存泄漏,而不是因为弱引用。

那么如何避免内存泄漏呢?

在使用完 ThreadLocal 变量后,需要我们手动 remove 掉,防止 ThreadLocalMap 中的 Entry 一直保持对 value 的强引用,导致 value 不能被回收。

参考

  • https://blog.csdn.net/qq_27276045/article/details/105330266

PS:以上代码提交在 Github :https://github.com/Niuh-Study/niuh-juc-final.git

PS:这里有一个技术交流群(扣扣群:1158819530),方便大家一起交流,持续学习,共同进步,有需要的可以加一下。

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