强引用和弱引用的Threadlocal

2023-12-05 22:54:10

从SimpleDateFormat开始

首先看一个例子，创建20个线程，线程里就干一件事，就是转换时间

public class ThreadLoaclExample {

    //非线程安全的
    private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public static Date parse(String strDate) throws ParseException {
        return sdf.parse(strDate);
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(parse("2021-11-18 21:36:17"));
                } catch (ParseException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
   
}

运行一下，报错了
强引用和弱引用的Threadlocal
原因是什么，原因就是SimpleDateFormat是非线程安全的，点进去看一下SimpleDateFormat的源码，在类的上面就写着一段话，DateFormat不是同步的，它被推荐创建独立的format实例给每个线程，如果多线程要同时访问的话，必须在外部加一个同步的。

强引用和弱引用的Threadlocal
这段话是什么意思呢，就是解决这个问题有两个办法，一个是加synchronized，代码如下：

public static synchronized Date parse(String strDate) throws ParseException {
    return sdf.parse(strDate);
}

但是这样做肯定会降低性能。还有一种方法就是做线程隔离，就是他注释上写的，为每个线程单独创建一个SimpleDateFormat对象，独一份的，线程独有的，这样就不会产生线程安全问题。这个就需要用到今天的主角ThreadLocal，代码如下：

public class ThreadLoaclExample {

    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    private static SimpleDateFormat getDateFormat() {
        SimpleDateFormat dateFormat = dateFormatThreadLocal.get();//从当前线程的范围内获得一个DateFormat
        if (dateFormat == null) {
            dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");//在当前线程的范围内设置一个simpleDateFormat对象
            //Thread.currentThread();
            dateFormatThreadLocal.set(dateFormat);
        }
        return dateFormat;
    }

    public static Date parse(String strDate) throws ParseException {
        return getDateFormat().parse(strDate);
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(parse("2021-11-18 21:36:17"));
                } catch (ParseException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

运行一下，不报错了

强引用和弱引用的Threadlocal

当然上面还有个优化点就是20个线程，当1000个线程的时候，每个线程都有自己独立的SimpleDateFormat副本，这样会创建1000个SimpleDateFormat对象，会很浪费空间，所以改写成线程池的方式：

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(16);
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            try {
                System.out.println(parse("2021-11-18 21:36:17"));
            } catch (ParseException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
}

这样的话有个好处就是用16个SimpleDateFormat对象即可完成1000个任务。

强引用和弱引用的Threadlocal
以上就是第一种非常典型的适合使用 ThreadLocal 的场景。

第二种场景

第二个作用就是起到一个上下文的作用，有这样一个应用场景，当一个请求过来service-1把user的信息计算出来，后面的方法service-2，service-3，service-4都需要用到user信息，这时的做法就是把user作为参数，不停的往后传，这样的做法导致代码十分冗余。
强引用和弱引用的Threadlocal

有一个解决办法就是把user信息放在内存中，比如hashmap，这样service-1把user信息put进去，service-2，service-3，service-4直接get就能把user信息获取出来，这样可以避免把user作为参数不停的传。
强引用和弱引用的Threadlocal

那么随之而来就会产生另一个线程并发安全问题，当个线程同时请求访问的时候呢？那我们就是要使用 synchronized 或者 ConcurrentHashMap来保证hashmap的安全，它对性能都是有所影响的。
强引用和弱引用的Threadlocal

那么最终解决方案就是使用ThreadLocal，它使得每个线程独享自己的user信息，保证了线程安全，使用的时候也只要在service-1里面存进去，service-2，service-3，service-4里面取出来即可。
强引用和弱引用的Threadlocal
这个就是第二个作用，起到上下文的作用UserContextHolder，避免了传参。

ThreadLocal的存储位置

首先来看下Thread、 ThreadLocal 及 ThreadLocalMap 三者存储的位置。
强引用和弱引用的Threadlocal
在Thread类里面有个ThreadLocalMap变量，如下图，因为存在线程里面，这样才能做到线程独有。

强引用和弱引用的Threadlocal
在ThreadLocalMap里面有很多个Entry，这个Entry的key就是弱引用的threadlocal，value就是需要存储的值。

强引用和弱引用的Threadlocal

为什么在ThreadLocalMap里会有多个Entry呢，因为我们在使用的时候可以定义多个ThreadLocal，而这些值最终的存储就是一个一个的Entry。

强引用和弱引用的Threadlocal
有了上面宏观上的感受，我们再来看下源码分析，首先看set方法：

public void set(T value) {
   //得到当前线程，保证隔离性
    Thread t = Thread.currentThread();
    //根据线程得到ThreadLocalMap，没有初始化则进行初始化
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //如果map不为空，则将值set进去
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else   //否则的话创建map
        createMap(t, value);
}

如果map为空的话先进行创建

强引用和弱引用的Threadlocal
初始化的过程也比较简单，新创建一个数组，根据hash值计算位置，然后把key和value放到该位置上

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    //默认长度为16的数组
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    //计算数组下标
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    //把key和value放到i的位置上
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

我们再看下map.set方法，set的时候也是先计算位置，如果位置上已经有值的，就是我之前这个key，则把value的值进行替换，如果是null则执行replaceStaleEntry方法，否则的话就移动到下一个位置。

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

    // We don't use a fast path as with get() because it is at
    // least as common to use set() to create new entries as
    // it is to replace existing ones, in which case, a fast
    // path would fail more often than not.

    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    //计算数组下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    //线性探测
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        //i位置已经有值了，直接替换
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        //如果key==null，则进行replaceStaleEntry（替换空余的数组）
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

我们知道Hashmap当发生冲突的时候，采用的是拉链法(也叫链地址法)，而我们这的ThreadLocalMap采用的是线性探测法，如果发生冲突，并不会用链表的形式往下链，而是会继续寻找下一个空的格子。感兴趣的小伙伴可以看下《ConcurrentHashMap源码精讲》 。

强引用和弱引用的Threadlocal

我们再来看下get方法，这个方法也很简单，先从线程中拿到ThreadLocalMap，然后再从map中传入this自己作为key，来拿到Entry，再从Entry中拿到value。

public T get() {
    //获取到当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //获取到当前线程内的 ThreadLocalMap 对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        //获取 ThreadLocalMap 中的 Entry 对象并拿到 Value
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    //如果线程内之前没创建过 ThreadLocalMap，就创建
    return setInitialValue();
}

如果map为空的话则进行初始化操作setInitialValue，这个跟上面的set方法里面的逻辑是一样的。

private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

强引用和弱引用

标题中已经提到了强引用和弱引用，还有上面讲到的Entry里面的key是ThreadLocal的弱引用，那么具体什么是强引用，什么是弱引用，这里做下介绍。

先看下强引用的代码：

public class ReferenceExample {

    static Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Object strongRef = object;
        object = null;
        System.gc();
        System.out.println(strongRef);
    }
}

运行一下，没有被回收掉

强引用和弱引用的Threadlocal

我画了个示意图大家看下，一开始object和strongRef都指向了堆区的new Object()对象。

强引用和弱引用的Threadlocal

后来执行object = null，相当于栈和堆之间的连线断掉了，所以在System.gc()以后，由于strongRef还连接着new Object()，所以就没有被释放掉。
强引用和弱引用的Threadlocal
再看下弱引用的代码：

public class ReferenceExample {

    static Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(object);
        object = null;
        System.gc();
        System.out.println(weakRef.get());
    }
}

再执行一下，结果为null，已经被回收掉了
强引用和弱引用的Threadlocal

弱引用的连接就很弱，这根虚线等于没有，形同虚设，在回收的时候new Object()一看没人在引用了，那么就直接回收掉了，所以打印weakRef的时候就为null。

强引用和弱引用的Threadlocal

所以在上面看源码中会出现knull的判断，就是因为threadlocal是弱引用，当我们在业务代码中执行了 ThreadLocal instance = null 操作，我们想要清理掉这个 ThreadLocal 实例，由于是弱引用，就像上面的例子一样，经过垃圾回收以后key会变为null，那么这个Entry一直在数组里占着是不行的，所以会把keynull的给清理掉。

对于垃圾回收不是很懂的小伙伴可以看下《一篇文章搞懂GC垃圾回收》 。

内存泄露/remove()方法

首先说下用完ThreadLocal一定要调用remove()方法！一定要调用remove()方法！一定要调用remove()方法！ 否则就是会造成内存泄露。

内存泄漏指的是，当某一个对象不再有用的时候，占用的内存却不能被回收，这就叫作内存泄漏。

Key 的泄漏

在上面提到过key是弱引用，如果是强引用的话，当执行ThreadLocal instance = null的时候，key还在引用着threadlocal，这时候就不会释放内存，那么这个Entry就一直存在数组中，得不到清理，越堆越多。

但是如果采用弱引用，key会变为null，JDK帮我们考虑了这一点，在执行 ThreadLocal 的 get、set、remove、rehash 等方法时，它都会扫描 key 为 null 的 Entry，如果发现某个 Entry 的 key 为 null，则代表它所对应的 value 也没有作用了，所以它就会把对应的 value 置为 null， 这样，value 对象就可以被正常回收了，防止内存泄露。

value的泄露

虽然解决了key的泄露，但是我们知道value是强引用，我们看下下面的调用链：
强引用和弱引用的Threadlocal

Thread Ref → Current Thread → ThreadLocalMap → Entry → Value → 可能泄漏的value实例。

这条链路是随着线程的存在而一直存在的，如果线程执行耗时任务而不停止，而ThreadLocal的get、set、remove、rehash 方法也没有被调用的话，那么这个value指向的内存也一直存在，一直占着。解决这种情况，就是使用remove方法。看下源码：

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

还有一种危险，如果线程是线程池的话，在线程执行完代码的时候并没有结束，只是归还给线程池，那么这个线程中的value就一直被占着，得不到回收，造成内存泄露。所以我们在编码中要养成良好的习惯，不再使用ThreadLocal的时候就要调用remove()方法，及时释放内存。最后感谢大家的收看~

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