Java多线程——ThreadLocal类的原理和使用
摘要：本文主要学习了ThreadLocal类的原理和使用。
概述
是什么
ThreadLocal可以用来维护一个变量，提供了一个ThreadLocalMap内部类，用来对变量进行设置、获取、删除等操作，原理类似于集合的Map，在Thread类里也提供了一个ThreadLocalMap类型的变量。
在使用ThreadLocal维护变量时，实际上是通过ThreadLocalMap进行维护的，使用的是当前线程里的ThreadLocalMap对象，保存的key是ThreadLocal的实例本身。
ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。
使用场景
在一个线程中，需要共享某个资源，希望不管是在哪个类中使用该资源，都能保证该资源都是同一个，只会被创建一次，这就需要使用TheadLocal来实现。当然，也可以是用饿汉式，或者懒汉式的线程安全方式实现。
使用static修饰
由于ThreadlocalMap中的key是this引用，this引用也就是ThreadLocal的实例对象，也就是说，即便是在同一个线程里，ThreadLocal实例对象如果不是同一个，那么通过get()方法得到的就不是同一个值。
所以，要想在同一个线程里，每次得到的值都是同一个，就必须使this指针指向同一个对象，这就解释了为什么Threadlocal都使用静态变量来保存。
但是需要注意的是，如果使用了static关键字，有可能导致形成内存泄漏所需要的条件。
常用方法
set()方法
设置当前线程对应的线程局部变量的值。先取出当前线程对应的ThreadLocalMap对象。如果存在将当前ThreadLocal对象作为key，传入的值作为value，放到map里。如果不存在则通过线程创建一个ThreadLocalMap对象。
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
get()方法
返回当前线程所对应的线程局部变量。和set类似，也是先取出当前线程对应的ThreadLocalMap对象。如果存在就直接从map取出ThreadLocal对应的value返回。如果不存在则调用setInitialValue()方法，该方法会创建一个ThreadLocalMap对象，并且调用initialValue()方法设置初始值并返回initialValue。
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
remove()方法
将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。需要注意的是，如果remove之后又调用了get()方法，会重新初始化一次，即再次调用initialValue()方法，除非在这之前调用set()方法设置过值。
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}
initialValue()方法
返回该线程局部变量的初始值。该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程首次调用get()方法或set()方法时才执行，并且仅执行一次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。
protected T initialValue() {
return null;
}
使用实例
使用static关键字修饰资源操作类里的ThreadLocal类型的成员变量
以下代码模拟了三个线程，每个线程分别表示一个User用户资源，每个用户分别进行了Login操作和Logout操作，代码如下：
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
// 模拟三个线程使用。
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread() {
@Override
public void run() {
LoginService.login(new UserHandler().getUser());
LogoutService.logout(new UserHandler().getUser());
}
}.start();
}
}
}
// 业务操作类，模拟Login操作。
class LoginService {
public static void login(User user) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " User " + user.hashCode() + " login ...");
}
}
// 业务操作类，模拟Logout操作。
class LogoutService {
public static void logout(User user) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " User " + user.hashCode() + " logout ...");
}
}
// 资源操作类，提供获取资源的方法。
class UserHandler {
// 私有，其他类不能直接操作ThreadLocal类，避免内存泄露。
private static ThreadLocal<User> tl = new ThreadLocal<User>() {
// 重写初始化方法，首次使用时调用。
protected User initialValue() {
return new User();
};
};
// 公有，获取资源的方法。
public User getUser() {
return tl.get();
}
}
// 资源类，不允许除了资源操作类以外的类使用。
class User {
private String name;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
运行结果如下：
Thread-0 User 103821930 login ...
Thread-2 User 412303685 login ...
Thread-1 User 443387063 login ...
Thread-0 User 103821930 logout ...
Thread-2 User 412303685 logout ...
Thread-1 User 443387063 logout ...
结果说明：
可以发现，在一个线程里，进行操作的始终是一个用户资源类。
不使用static关键字修饰资源操作类里的ThreadLocal类型的成员变量
将资源操作类里的修饰ThreadLocal类型的成员变量的static关键字去掉，其他部分不变，部分代码如下：
// 资源操作类，提供获取资源的方法。
class UserHandler {
// 私有，其他类不能直接操作ThreadLocal类，避免内存泄露。
private ThreadLocal<User> tl = new ThreadLocal<User>() { // 重写初始化方法，首次使用时调用。
protected User initialValue() {
return new User();
};
}; // 公有，获取资源的方法。
public User getUser() {
return tl.get();
}
}
运行结果如下：
Thread-1 User 1127398600 login ...
Thread-0 User 1988907679 login ...
Thread-2 User 1532003980 login ...
Thread-2 User 1601112382 logout ...
Thread-1 User 1916516959 logout ...
Thread-0 User 1924384918 logout ...
结果说明：
因为没有使用static关键字修饰，导致set()方法设置资源对象的时候，key不是同一个，从而导致在一个线程里调用get()方法的时候得到了不同的资源对象。
内存泄漏
产生原因
1）ThreadLocal被回收，ThreadLocal关联的线程共享变量还存在
如果ThreadLocal没有外部强引用，当发生垃圾回收时，这个ThreadLocal一定会被回收（弱引用的特点是不管当前内存空间足够与否，GC时都会被回收），这样就会导致ThreadLocalMap中出现key为null的Entry，外部将不能获取这些key为null的Entry的value，并且如果当前线程一直存活，那么就会存在一条由Thread到ThreaLocalMap，再到Entry里的value的强引用链，导致value对应的Object一直无法被回收，产生内存泄露。
查看源码会发现，ThreadLocal的get、set和remove方法都实现了对所有key为null的value的清除，但仍可能会发生内存泄露，因为可能使用了ThreadLocal的get或set方法后发生GC，此后不调用get、set或remove方法，为null的value就不会被清除。
2）线程结束了，ThreadLocal一直存在
用static修饰的ThreadLocal，导致ThreadLocal的生命周期和持有它的类一样长，意味着这个ThreadLocal不会被GC。这种情况下，如果不手动删除，Entry的key永远不为null，弱引用就失去了意义，理所当然的无法通过调用set()，get()，remove()方法清除value，如果当前线程结束了，就导致了Entry的内存泄漏。
解决办法
每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据。
在使用线程池的情况下，没有及时清理ThreadLocal，不仅是内存泄漏的问题，更严重的是可能导致业务逻辑出现问题。所以，使用ThreadLocal就跟加锁完要解锁一样，用完就清理。