Java并发之ThreadLocal深度解析

2023-01-31 22:11:10

ThreadLocal是什么

首先说明，ThreadLocal与线程同步无关。ThreadLocal虽然提供了一种解决多线程环境下成员变量的问题，但是它并不是解决多线程共享变量的问题。

ThreadLocal类提供了一种线程局部变量(ThreadLocal)，即每一个线程都会保存一份变量副本，每个线程都可以独立地修改自己的变量副本，而不会影响到其他线程，是一种线程隔离的思想。

实现原理

ThreadLocal提供四个方法：

public T get() { }
public void set(T value) { }
public void remove() { }
protected T initialValue() { }

get()方法是用来获取ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本，set()用来设置当前线程中变量的副本，remove()用来移除当前线程中变量的副本，initialValue()是一个protected方法，一般是用来在使用时进行重写的，它是一个延迟加载方法。这四种方法都是基于ThreadLocalMap的。

ThreadLocalMap

ThreadLocal内部有一个静态内部类ThreadLocalMap，该内部类是实现线程隔离机制的关键。ThreadLocalMap提供了一种用键值对方式存储每一个线程的变量副本的方法，key为当前ThreadLocal对象，value则是对应线程的变量副本。该Map默认的大小是16，即能存储16个键值对，超过后会扩容。

具体源码如下：

Entry类

ThreadLocalMap其内部利用Entry来实现key-value的存储，如下：

 static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

从上面代码中可以看出Entry的key就是ThreadLocal，而value就是值。同时，Entry也继承WeakReference，所以说Entry所对应key（ThreadLocal实例）的引用为一个弱引用。

set方法

 private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 根据 ThreadLocal 的散列值，查找对应元素在数组中的位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    // 采用“线性探测法”，寻找合适位置
    for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
        e != null;
        e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        // key 存在，直接覆盖
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        // key == null，但是存在值（因为此处的e != null），说明之前的ThreadLocal对象已经被回收了
        if (k == null) {
            // 用新元素替换陈旧的元素
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }
    // ThreadLocal对应的key实例不存在也没有陈旧元素，new 一个
    tab[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    // cleanSomeSlots 清楚陈旧的Entry（key == null）
    // 如果没有清理陈旧的 Entry 并且数组中的元素大于了阈值，则进行 rehash
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

ThreadLocalMap的set方法和Map的put方法差不多，但是有一点区别是：put方法处理哈希冲突使用的是链地址法，而set方法使用的开放地址法。

set()操作除了存储元素外，还有一个很重要的作用，就是replaceStaleEntry()和cleanSomeSlots()，这两个方法可以清除掉key == null 的实例，防止内存泄漏。在set()方法中还有一个变量很重要：threadLocalHashCode，定义如下：

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

threadLocalHashCode是ThreadLocal的散列值，定义为final，表示ThreadLocal一旦创建其散列值就已经确定了，生成过程则是调用nextHashCode()：

private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

nextHashCode表示分配下一个ThreadLocal实例的threadLocalHashCode的值，HASH_INCREMENT则表示分配两个ThradLocal实例的threadLocalHashCode的增量。

getEntry()

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

由于采用了开放定址法，所以当前key的散列值和元素在数组的索引并不是完全对应的，首先取一个探测数（key的散列值），如果所对应的key就是我们所要找的元素，则返回，否则调用getEntryAfterMiss()，如下：

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;
}

这里有一个重要的地方，当key == null时，调用了expungeStaleEntry()方法，该方法用于处理key == null，有利于GC回收，能够有效地避免内存泄漏。在Java知音公众号内回复“面试题聚合”，送你一份面试宝典

get()方法

public T get() {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程的成员变量 threadLocal
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // 从当前线程的ThreadLocalMap获取相对应的Entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            // 获取目标值        
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

首先通过当前线程获取所对应的成员变量ThreadLocalMap，然后通过ThreadLocalMap获取当前ThreadLocal的Entry，最后通过所获取的Entry获取目标值result。

getMap()方法可以获取当前线程所对应的ThreadLocalMap，如下：

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

set(T 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);
}

获取当前线程所对应的ThreadLocalMap，如果不为空，则调用ThreadLocalMap的set()方法，key就是当前ThreadLocal，如果不存在，则调用createMap()方法新建一个，如下：

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

initialValue()

protected T initialValue() {
    return null;
}

该方法定义为protected级别且返回为null，很明显是要子类实现它的，所以我们在使用ThreadLocal的时候一般都应该覆盖该方法。

注意：如果想在get之前不需要调用set就能正常访问的话，必须重写initialValue()方法。

因为在上面的代码分析过程中，我们发现如果没有先set的话，即在map中查找不到对应的存储，则会通过调用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一个语句是T value = initialValue()，而默认情况下，initialValue方法返回的是null。

remove()

 public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

该方法的目的是减少内存的占用。当然，我们不需要显示调用该方法，因为一个线程结束后，它所对应的局部变量就会被垃圾回收。

ThreadLocal使用示例

public class SeqCount {
    private static ThreadLocal<Integer> seqCount = new ThreadLocal<Integer>(){
        // 实现initialValue()
        public Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };
    public int nextSeq(){
        seqCount.set(seqCount.get() + 1);
        return seqCount.get();
    }
    public void removeSeq(){
        seqCount.remove();
    }
    public static void main(String[] args){
        SeqCount seqCount = new SeqCount();
        SeqThread thread1 = new SeqThread(seqCount);
        SeqThread thread2 = new SeqThread(seqCount);
        SeqThread thread3 = new SeqThread(seqCount);
        SeqThread thread4 = new SeqThread(seqCount);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
    }
    private static class SeqThread extends Thread{
        private SeqCount seqCount;
        SeqThread(SeqCount seqCount){
            this.seqCount = seqCount;
        }
        public void run() {
            for(int i = 0 ; i < 3 ; i++){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " seqCount :" + seqCount.nextSeq());
            }
            seqCount.removeSeq();
        }
    }
}

结果如下：

Thread-1 seqCount :1
Thread-3 seqCount :1
Thread-2 seqCount :1
Thread-0 seqCount :1
Thread-2 seqCount :2
Thread-3 seqCount :2
Thread-1 seqCount :2
Thread-3 seqCount :3
Thread-2 seqCount :3
Thread-0 seqCount :2
Thread-1 seqCount :3
Thread-0 seqCount :3

ThreadLocal与内存泄漏

为什么会出现内存泄漏

首先看一下运行时ThreadLocal变量的内存图：

运行时，会在栈中产生两个引用，指向堆中相应的对象。

可以看到，ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，这样一来，当ThreadLocal ref和ThreadLocal之间的强引用断开时候，即ThreadLocal ref被置为null，下一次GC时，threadLocal对象势必会被回收。

这样，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，比如使用线程池，线程使用完成之后会被放回线程池中，不会被销毁，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。

其实，ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施：在ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value。

但是这些被动的预防措施并不能保证不会内存泄漏：

使用static的ThreadLocal，延长了ThreadLocal的生命周期，可能导致的内存泄漏。
分配使用了ThreadLocal又不再调用get(),set(),remove()方法，那么就会导致内存泄漏。

为什么要使用弱引用？

使用弱引用，是为了更好地对ThreadLocal对象进行回收。如果使用强引用，当ThreadLocal ref = null的时候，意味着ThreadLocal对象已经没用了，ThreadLocal对象应该被回收，但由于Entry中还存着这对ThreadLocal对象的强引用，导致ThreadLocal对象不能回收，可能会发生内存泄漏。

为什么不将value也设置成弱引用？

为什么呢？

如何避免内存泄漏？

每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据。

ThreadLocal与脏读

前面说了，ThreadLocal中的set()、get()和remove()方法都会对key==null的value进行处理，其中set()和get()方法是将key==null的value置为null。但是如果ThreadLocal是static类型的，并且配合线程池使用，线程池会重用Thread对象，同时会重用与Thread绑定的ThreadLocal变量。倘若下一个线程不调用set()方法重新设置初始值，也不调用remove()方法处理旧值，直接调用get()方法获取，就会出现脏读问题。

例子如下。

public class DirtyDataInThreadLocal {
    public static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    public static void main(String[] args) {
        //使用固定大小为1的线程池，说明上一个线程属性会被下一个线程属性复用
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
        for(int i = 0; i < 2; i++){
            MyThread thread = new MyThread();
            pool.execute(thread);
        }
    }
    private static class MyThread extends Thread{
        private static boolean flag = true;
        @Override
        public void run() {
            if(flag){
                //第一个线程set后，没有remove，第二个线程也没有进行set操作
                threadLocal.set(this.getName() + ", session info.");
                flag = false;
            }
            System.out.println(this.getName() + " 线程是 " + threadLocal.get());
        }
    }
}

打印结果如下：

Thread-0线程是 Thread-0, session info.
Thread-1线程是 Thread-0, session info.

ThreadLocal使用场景

数据连接和Session管理

最常见的ThreadLocal使用场景为用来解决数据库连接、Session管理等。

如：

private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
    public Connection initialValue() {
        return DriverManager.getConnection(DB_URL);
    }
};
public static Connection getConnection() {
    return connectionHolder.get();
}

private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal();
public static Session getSession() throws InfrastructureException {
    Session s = (Session) threadSession.get();
    try {
        if (s == null) {
            s = getSessionFactory().openSession();
            threadSession.set(s);
        }
    } catch (HibernateException ex) {
        throw new InfrastructureException(ex);
    }
    return s;
}

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