Java进阶篇--并发容器之ThreadLocal内存泄漏

目录

ThreadLocal内存泄漏的原因？

改进和优化

cleanSomeSlots方法

expungeStaleEntry方法

replaceStaleEntry方法

为什么使用弱引用？

Thread.exit()

ThreadLocal内存泄漏最佳解决方案

在使用完毕后立即清理ThreadLocal

使用InheritableThreadLocal替代ThreadLocal

使用弱引用清理ThreadLocal

---

ThreadLocal内存泄漏的原因？

ThreadLocal是为了解决多线程共享访问对象带来的线程安全问题。它通过为每个线程分配一个对象实例，达到隔离的目的，使得线程之间互不影响。与同步机制不同的是，同步机制以时间换空间，控制线程访问共享对象的顺序，而ThreadLocal则是为每个线程分配一个对象实例，牺牲了空间效率换来时间效率。但是，在ThreadLocal使用过程中存在内存泄漏的风险，如果线程执行结束后，ThreadLocal，ThreadLocalMap，entry都会被回收掉，但在线程池中，线程是复用的，所以ThreadLocal的内存泄漏就值得我们关注。

ThreadLocal内存泄漏的原因主要是因为在使用ThreadLocal时没有及时清理ThreadLocal对象所引用的线程特有的副本。具体来说，当一个线程结束后，如果没有手动清理或者调用remove方法来移除对应的ThreadLocal对象，那么这个ThreadLocal对象仍然会被ThreadLocalMap持有，而ThreadLocalMap是通过弱引用来关联ThreadLocal对象的，如果ThreadLocal对象没有被其他强引用持有，那么在垃圾回收的时候就会被回收，但是对应的线程特有的副本却无法被回收，从而导致内存泄漏。

另外，如果使用线程池来管理线程，线程池中的线程是会被复用的，而不会在每次任务执行结束后销毁线程。这就意味着线程池中的线程仍然持有之前任务中创建的ThreadLocal对象，而这些对象对应的线程特有的副本却不会被释放，从而导致内存泄漏的问题。

改进和优化

对于ThreadLocal内存泄漏的问题，Java在不同版本中进行了不同的改进和优化。以下是一些改进措施：

cleanSomeSlots方法

cleanSomeSlots方法的改进： 在JDK 6之前，ThreadLocalMap中没有自动清理过期Entry的机制。JDK 7引入了cleanSomeSlots方法来解决这个问题。每次调用set或get方法时，会以一定的概率触发该方法，该方法会遍历整个表格，并清理掉过期的Entry。这样可以减轻内存泄漏的风险，使得那些已经过期且无法再被访问的线程特有副本得到释放。

public class MyThreadLocal extends ThreadLocal {
    @Override
    protected T initialValue() {
        // 初始化方法
        return ...;
    }

    @Override
    public void set(T value) {
        super.set(value);
        cleanSomeSlots();
    }

    @Override
    public T get() {
        T value = super.get();
        cleanSomeSlots();
        return value;
    }

    private void cleanSomeSlots() {
        ThreadLocalMap map = getMap(Thread.currentThread());
        if (map != null) {
            map.cleanSomeSlots();
        }
    }
}

expungeStaleEntry方法

expungeStaleEntry方法的改进： JDK 8引入了expungeStaleEntry方法，该方法用于显式地清理过期的Entry。在ThreadLocalMap的size超过阈值时被调用，该方法会遍历整个表格，将key为null的Entry移除以释放关联的线程特有副本。

public class MyThreadLocal extends ThreadLocal {
    @Override
    protected T initialValue() {
        // 初始化方法
        return ...;
    }

    @Override
    public void set(T value) {
        super.set(value);
        expungeStaleEntry();
    }

    @Override
    public T get() {
        T value = super.get();
        expungeStaleEntry();
        return value;
    }

    private void expungeStaleEntry() {
        ThreadLocalMap map = getMap(Thread.currentThread());
        if (map != null) {
            map.expungeStaleEntry();
        }
    }
}

replaceStaleEntry方法

replaceStaleEntry方法的改进： JDK 9引入了replaceStaleEntry方法，用于在创建新的Entry时替换已经过期的Entry。该方法主要解决了JDK 8中可能出现的并发问题，保证在替换Entry时不会有其他线程同时访问旧的Entry，从而避免了可能的内存泄漏。

public class MyThreadLocal extends ThreadLocal {
    @Override
    protected T initialValue() {
        // 初始化方法
        return ...;
    }

    @Override
    public void set(T value) {
        super.set(value);
        replaceStaleEntry();
    }

    @Override
    public T get() {
        T value = super.get();
        replaceStaleEntry();
        return value;
    }

    private void replaceStaleEntry() {
        ThreadLocalMap map = getMap(Thread.currentThread());
        if (map != null) {
            map.replaceStaleEntry();
        }
    }
}

为什么使用弱引用？

使用弱引用主要是为了解决ThreadLocal中的内存泄漏问题。在线程局部变量中，如果使用强引用，即使在业务代码中将ThreadLocal实例设置为null，由于Entry强引用着ThreadLocal，ThreadLocal对象无法被垃圾回收，从而导致内存泄漏。

而使用弱引用修饰ThreadLocal可以解决这个问题。当ThreadLocal实例不再被业务代码使用时，由于ThreadLocalMap中使用了弱引用来引用ThreadLocal实例，ThreadLocal实例会在下一次垃圾回收时被正确地回收掉。同时，在ThreadLocal的生命周期中会对key为null的脏entry进行处理，避免出现潜在的内存泄漏。

尽管使用弱引用会导致可能出现一些内存泄漏问题，但相比起使用强引用造成的内存泄漏，弱引用的使用能够保证在ThreadLocal的生命周期内尽可能地避免内存泄漏问题，从而提高应用的安全性和可靠性。

需要注意的是，虽然使用弱引用可以减少内存泄漏的潜在问题，但仍然需要在使用ThreadLocal时注意及时清理和移除不再使用的ThreadLocal实例，以确保整体系统的资源利用效率。

Thread.exit()

Thread.exit()方法是一个废弃的方法，不推荐使用。它会导致线程突然终止，可能会破坏线程的稳定性和数据完整性，并且无法保证所有资源的正确释放。在正常情况下，应该通过执行完任务或者正常结束的方式让线程退出。如果需要强制终止线程，可以通过调用Thread的interrupt方法来进行管理和控制。

public class InterruptExample {

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                // 执行线程的任务
                // ...
                
                // 检查中断标志
                if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    System.out.println("线程被中断，退出循环");
                    break;
                }
            }
            
            System.out.println("线程退出");
        });

        thread.start();

        // 给线程发送中断信号
        thread.interrupt();
    }

}

在这个示例中，线程在while循环中执行任务，并在每次循环开始时检查中断标志。如果中断标志被设置，线程会退出循环并输出相应信息。

在main方法中，我们使用thread.interrupt()方法给线程发送中断信号。这会将线程的中断标志设置为true。线程在下一次循环开始时会检查到这个中断标志，并做出相应的处理来退出循环。

这种方式可以安全地控制线程的退出，避免了Thread.exit()方法可能导致的问题。同时，它也提供了更灵活和可控的方式来管理线程的生命周期。

ThreadLocal内存泄漏最佳解决方案

由于ThreadLocal为每个线程维护一个独立的变量副本，因此如果没有及时清理ThreadLocal，可能会导致内存泄漏问题。下面是一些解决ThreadLocal内存泄漏问题的最佳实践：

在使用完毕后立即清理ThreadLocal

及时清理是防止内存泄漏的最佳解决方案之一。确保在使用完ThreadLocal后调用其remove()方法，清除数据。

特别是在使用线程池的情况下，由于线程的复用性，如果没有清理ThreadLocal，可能会导致线程中保存的数据对后续线程产生干扰，进而导致业务逻辑出现问题。因此，类似于加锁与解锁一样，使用完ThreadLocal后就应该立即清理，以确保下次使用时不会受到上次使用遗留下来的数据的影响。

public class UserContext {

    private static final ThreadLocal USER_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>();

    public static void setUser(User user) {
        USER_THREAD_LOCAL.set(user);
    }

    public static User getUser() {
        return USER_THREAD_LOCAL.get();
    }

    public static void clear() {
        USER_THREAD_LOCAL.remove();
    }
}

在这个示例中，我们定义了一个静态的ThreadLocal变量USER_THREAD_LOCAL，并提供了setUser、getUser和clear方法，在使用完USER_THREAD_LOCAL后，可以调用clear方法清理ThreadLocal。

通过及时清理ThreadLocal，可以有效避免内存泄漏问题，并确保数据在不同线程间的隔离性。

使用InheritableThreadLocal替代ThreadLocal

如果需要在父线程和子线程之间共享ThreadLocal变量，可以使用InheritableThreadLocal替代ThreadLocal。InheritableThreadLocal也是一种ThreadLocal，但它可以让子线程继承父线程的ThreadLocal变量副本，从而避免重复创建副本的问题。

public class InheritableRequestContext {

    private static final InheritableThreadLocal REQUEST_ID = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void setRequestId(String requestId) {
        REQUEST_ID.set(requestId);
    }

    public static String getRequestId() {
        return REQUEST_ID.get();
    }

    public static void clear() {
        REQUEST_ID.remove();
    }
}

在这个示例中，我们使用了InheritableThreadLocal来定义共享变量REQUEST_ID，并提供了setRequestId、getRequestId和clear方法，以便在线程间共享该变量。

使用弱引用清理ThreadLocal

使用弱引用来清理ThreadLocal。通过将ThreadLocal变量存储在WeakReference中，可以让垃圾回收器在需要释放内存时自动清理ThreadLocal变量。

public class WeakRequestContext {

    private static final ThreadLocal> REQUEST_ID = new ThreadLocal<>();

    public static void setRequestId(String requestId) {
        REQUEST_ID.set(new WeakReference<>(requestId));
    }

    public static String getRequestId() {
        WeakReference ref = REQUEST_ID.get();
        return ref != null ? ref.get() : null;
    }

    public static void clear() {
        REQUEST_ID.remove();
    }
}

在这个示例中，我们使用了ThreadLocal和WeakReference来定义变量REQUEST_ID，并提供了setRequestId、getRequestId和clear方法。

总之，为避免ThreadLocal内存泄漏问题，可以采用立即清理、使用InheritableThreadLocal和使用弱引用等多种解决方案。在具体场景中，可以根据实际情况选择最佳的解决方案。