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图解分析ThreadLocal的原理与应用场景

ThreadLocal的介绍

ThreadLocal这个类想必大家都不陌生，直接翻译为线程本地（变量），我们经常会使用到它来保存一些线程隔离的、全局的变量信息。使用ThreadLocal维护变量时，每个线程都会获得该线程独享一份变量副本。
ThreadLocal比较像是DNF中的一个地下城副本，而每个线程像是每个进入DNF副本中的玩家。各个线程进入副本后都是比较隔离的，不会互相干扰，这一特性在多线程的某些场景下十分适用。

龙龙的奇妙比喻--ThreadLocal

ThreadLocal介于全局变量与局部变量之间的生命周期

ThreadLocal将变量的使用范围恰当的保存到了全局变量和局部变量之间。

  • 全局变量
    静态变量static Object val = new Object() 或 对象的成员变量Object val = new Object()，前者保存在JVM的方法区，后者保存在堆区且随着对象的GC而回收，所有线程都可以访问
  • 局部临时变量
    在某个方法中或代码块中声明创建的对象，也保存在堆区，随着代码块的结束因没有引用而被回收，线程独享，但生命周期仅存在于该方法块中
  • ThreadLocal变量
    private static ThreadLocal store = new ThreadLocal<>();，线程独享，且线程执行的任何阶段都可以得到。

    ThreadLocal常见的使用场景

    笔者经常使用ThreadLocal的场景有：

    • 微服务请求的requestId（或traceId），在微服务模块中用于唯一标记一次请求的全局唯一UUID，在不同模块中传递相同的traceid是通过RPC框架封装并且序列化/反序列化实现的，而RPC框架反序列化出traceid后就会将其放入到ThreadLocal中，这样在模块的各个阶段记录log时都可以通过该ID标识出该请求。并且随着微服务框架的完成，也可以通过一个服务将traceid串联起来，分析一次请求中各个阶段的状态以及耗时。


      requestid
    • 作为db的本地缓存，通过ThreadLocal-redis-MySQL三级关系，ThreadLocal作为生命周期最短的缓存，缓存查询的结果，对于在同一个线程中的同样的查询，能够快速返回

    ThreadLocal的实现原理

    ThreadLocal.get()

    ThreadLocal实现结构以及执行的过程如下图所示。


    ThreadLocal.get()的过程

    ThreadLocal的几个关键词。

    1. 哈希，每个线程内部独立维护着一个ThreadLocalMap，这是一个Entry[]数组，通过对ThreadLocal进行hash（具体细节读者可以从源码了解）获取到Entry的下标
    2. 哈希冲突的解决办法采用了开放地址法，对于如图所示hash冲突的情况则下标挪一位再找（哈希冲突的三种解决办法：HashMap常用的拉链法、开放地址法、再哈希法，感兴趣的读者可以自行搜索：哈希冲突的解决办法）。ThreadLocal通常存放的数据量不会特别大，并且使用开放地址法（或叫开放寻址法）相对于拉链法而言节省了存储指针的空间
    3. WeakReference弱引用，ThreadLocalMap中对于ThreadLocal的引用使用了弱引用，弱引用的作用是当该引用是该对象的唯一一个引用时，不阻碍GC的回收，下面将展开讨论下ThreadLocal中弱引用与内存泄漏的问题

    ThreadLocalMap中的弱引用与使用注意

    如前文所述，ThreadLocalMap其实是一个ThreadLocal --> value的映射，具体的实现关系如下图

    ThreaLocal清理的过程

    当线程中使用的ThreadLocal置为null的时候，ThreadLocalMap中的弱引用作为最后一个指向ThreadLocal的引用，发生GC的时候直接被回收掉，但是这时Entry中的value不会被回收
    ThreadLocal的set/get/remove方法中在遇到key==null的节点时（被称为stale腐烂节点），会进行清理等处理逻辑。

    1. 如果Thread1执行完销毁了，那么ThreadLocalMap会整个销毁，也就不会有内存泄漏的问题了
    2. 如果Thread1长期存在，并且一直在创建新的ThreadLocal，并且从来没有执行过set/get/remove方法是有一定可能导致内存泄漏的
    3. 一般情况下我们会使用线程池，这样会在执行完后表现为线程结束，实际上线程只是回到了池子中等待下次调度的时候再次使用，这种情况时ThreadLocal是会被复用的，假如前面的使用场景中我们使用ThreadLocal保存了traceId，如果线程执行完没有进行回收并且下次执行的时候没有重新设置traceId的话，那么在打印日志的时候又会打印前一次的traceId，这样也会导致很多逻辑上的错误

    因此，必须在使用了ThreadLocal的线程执行完后finally中调用threadLocal.remove()，或者如果ThreadLocal的话则调用threadlocal.get().remove()清空HashMap

    ThreadLocal的复制

    在ThreadLocal的使用中，我们经常会需要创建子线程，希望子线程能够继承父线程的ThreadLocal，还是以traceid的使用场景为例，我们创建了子线程来并发处理耗时的逻辑，并且希望子线程中也能如实的打印当前请求的traceid，但是普通的ThreadLocal在创建新线程后信息会完全丢失，笔者曾经在这里踩到过坑。

    所以就需要一种方案来复制ThreadLocal到子线程：

    1. 先将ThreadLocal的内容保存在堆中，再子线程中将堆中的内容复制过来


      ThreadLocal的复制
    2. InheritableThreadLocal（线程池无效），原理是子线程是通过在父线程中通过调用new Thread()方法来创建子线程，Thread#init方法在Thread的构造方法中被调用。在init方法中拷贝父线程数据到子线程中。但是注意！我们现在一般都会使用线程池创建新线程，这种时候所谓的创建新线程只是复用了线程池中已有的线程，并不会调用new Thread()方法，因此使用InheritableThreadLocal往往是没效果的
      InheritableThreadLocal的原理
    3. 阿里巴巴开源了TransmittableThreadLocal，据说可以解决2中的问题，这个后面我们可以再看下，笔者一般只是使用1的方法基本就可以解决子线程ThreadLocal复制的问题

    reference

    [1] ThreadLocal-hash冲突与内存泄漏
    [2] ThreadLocal面试攻略：吃透它的每一个细节和设计原理
    [3] 面试官：小伙子，听说你看过ThreadLocal源码？（万字图文深度解析ThreadLocal）

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