Java

正确理解ThreadLocal

正确理解ThreadLocal

首先，ThreadLocal 不是用来解决共享对象的多线程访问问题的！！！
JDK源码中这样描述：

This class provides thread-local variables. These variables differ from
their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its
{@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized
copy of the variable. {@code ThreadLocal} instances are typically private
static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g.,
a user ID or Transaction ID).

翻译为：

ThreadLocal类用来提供线程内部的局部变量。这种变量在多线程环境下访问(通过get或set方法访问)时能保证各个线程里的变量相对独立于其他线程内的变量。ThreadLocal实例通常来说都是private static类型的，用于关联线程和线程的上下文。

另外，说ThreadLocal使得各线程能够保持各自独立的一个对象，并不是通过ThreadLocal.set()来实现的，而是通过每个线程中的new 对象的操作来创建的对象，每个线程创建一个，不是什么对象的拷贝或副本。通过ThreadLocal.set()将这个新创建的对象的引用保存到各线程的自己的一个map中，每个线程都有这样一个map，执行ThreadLocal.get()时，各线程从自己的map中取出放进去的对象，因此取出来的是各自自己线程中的对象，ThreadLocal实例是作为map的key来使用的。

如果ThreadLocal.set()进去的东西本来就是多个线程共享的同一个对象，那么多个线程的ThreadLocal.get()取得的还是这个共享对象本身，还是有并发访问问题。

ThreadLocal基本操作

构造函数

ThreadLocal的构造函数签名是这样的：

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/**
 * Creates a thread local variable.
 * @see #withInitial(java.util.function.Supplier)
 */
public ThreadLocal() {
}

initialValue函数

initialValue函数用来设置ThreadLocal的初始值，函数签名如下：

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protected T initialValue() {
    return null;
}

该函数在调用get函数的时候会第一次调用，但是如果一开始就调用了set函数，则该函数不会被调用。通常该函数只会被调用一次，除非手动调用了remove函数之后又调用get函数，这种情况下，get函数中还是会调用initialValue函数。该函数是protected类型的，很显然是建议在子类重载该函数的，所以通常该函数都会以匿名内部类的形式被重载，以指定初始值，比如：

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public class TestThreadLocal {
    private static final ThreadLocal<Integer> value = new ThreadLocal<Integer>() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return Integer.valueOf(1);
        }
    };
}

get函数

该函数用来获取与当前线程关联的ThreadLocal的值，函数签名如下：

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public T get()

如果当前线程没有该ThreadLocal的值，则调用initialValue函数获取初始值返回。

set函数

set函数用来设置当前线程的该ThreadLocal的值，函数签名如下：

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public void set(T value)

设置当前线程的ThreadLocal的值为value。

remove函数

remove函数用来将当前线程的ThreadLocal绑定的值删除，函数签名如下：

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public void remove()

在某些情况下需要手动调用该函数，防止内存泄露。

ThreadLocal实现原理

相信大部分人会有这样的想法：

每个ThreadLocal类创建一个Map，然后用线程的ID作为Map的key，实例对象作为Map的value，这样就能达到各个线程的值隔离的效果。

这是最简单的设计方案，JDK最早期的ThreadLocal就是这样设计的。JDK1.3（不确定是否是1.3）之后ThreadLocal的设计换了一种方式。

先看看JDK8的ThreadLocal的get方法的源码:

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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();
}

其中getMap的源码：

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

setInitialValue函数的源码：

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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;
}

createMap函数的源码：

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

简单解析一下，get方法的流程是这样的：

  1. 首先获取当前线程
  2. 根据当前线程获取一个Map
  3. 如果获取的Map不为空，则在Map中以ThreadLocal的引用作为key来在Map中获取对应的value e，否则转到5
  4. 如果e不为null，则返回e.value，否则转到5
  5. Map为空或者e为空，则通过initialValue函数获取初始值value，然后用ThreadLocal的引用和value作为firstKey和firstValue创建一个新的Map

然后需要注意的是Thread类中包含一个成员变量：

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ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

所以，可以总结一下ThreadLocal的设计思路：

每个Thread维护一个ThreadLocalMap映射表，这个映射表的key是ThreadLocal实例本身，value是真正需要存储的Object。

这个方案刚好与我们开始说的简单的设计方案相反。查阅了一下资料，这样设计的主要有以下几点优势：

  1. 每个线程中有一个map，而将ThreadLocal实例作为key，这样每个map中的项数很少，而且当线程销毁时相应的东西也一起销毁了
  2. 把map放到各自线程中带来的好处是 因为各线程访问的map是各自不同的map，所以不需要同步，速度会快些；而如果把所有线程要用的对象都放到一个静态map中的话 多线程并发访问需要进行同步。

更深入理解ThreadLocalMap

先看ThreadLocalMap源码

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static class ThreadLocalMap {
        /**
         * The entries in this hash map extend WeakReference, using
         * its main ref field as the key (which is always a
         * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
         * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
         * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
         * as "stale entries" in the code that follows.
         */
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
        ...
        ...
}

ThreadLocalMap是使用ThreadLocal的弱引用作为Key

下图是本文介绍到的一些对象之间的引用关系图，实线表示强引用，虚线表示弱引用
ThreadLoca
大家考虑这种情况

ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用引用他，那么系统gc的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，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，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，造成内存泄露。

我们来看一下ThreadLocalMap是如何防止这种情况的
ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施，下面是ThreadLocalMap的getEntry方法的源码：

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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);
}

getEntryAfterMiss函数的源码：

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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;
 }

expungeStaleEntry函数的源码：

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private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
           Entry[] tab = table;
           int len = tab.length;
           // expunge entry at staleSlot
           tab[staleSlot].value = null;
           tab[staleSlot] = null;
           size--;
           // Rehash until we encounter null
           Entry e;
           int i;
           for (i = nextIndex(staleSlot, len);
                (e = tab[i]) != null;
                i = nextIndex(i, len)) {
               ThreadLocal<?> k = e.get();
               if (k == null) {
                   e.value = null;
                   tab[i] = null;
                   size--;
               } else {
                   int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
                   if (h != i) {
                       tab[i] = null;
                       // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                       // null because multiple entries could have been stale.
                       while (tab[h] != null)
                           h = nextIndex(h, len);
                       tab[h] = e;
                   }
               }
           }
           return i;
       }

整理一下ThreadLocalMap的getEntry函数的流程：

  1. 首先从ThreadLocal的直接索引位置(通过ThreadLocal.threadLocalHashCode & (len-1)运算得到)获取Entry e，如果e不为null并且key相同则返回e；
  2. 如果e为null或者key不一致则向下一个位置查询，如果下一个位置的key和当前需要查询的key相等，则返回对应的Entry，否则，如果key值为null，则擦除该位置的Entry，否则继续向下一个位置查询

在这个过程中遇到的key为null的Entry都会被擦除，那么Entry内的value也就没有强引用链，自然会被回收。仔细研究代码可以发现，set操作也有类似的思想，将key为null的这些Entry都删除，防止内存泄露。

但是光这样还是不够的，上面的设计思路依赖一个前提条件：

要调用ThreadLocalMap的getEntry函数或者set函数。这当然是不可能任何情况都成立的，所以很多情况下需要使用者手动调用ThreadLocal的remove函数，手动删除不再需要的ThreadLocal，防止内存泄露。所以JDK建议将ThreadLocal变量定义成private static的，这样的话ThreadLocal的生命周期就更长，由于一直存在ThreadLocal的强引用，所以ThreadLocal也就不会被回收，也就能保证任何时候都能根据ThreadLocal的弱引用访问到Entry的value值，然后remove它，防止内存泄露。

参考：http://qifuguang.me/2015/09/02/[Java%E5%B9%B6%E5%8F%91%E5%8C%85%E5%AD%A6%E4%B9%A0%E4%B8%83]%E8%A7%A3%E5%AF%86ThreadLocal/