深入分析 ThreadLocal 的實現原理

ThreadLocal主要是提供線程內部的局部變量，在每個線程內隨時隨地可取，隔離其他線程。

1. ThreadLocal接口

1.1 ThreadLocal類接口很簡單，只有4個方法，我們先來了解一下：

void set(Object value)設置當前線程的線程局部變量的值。

public Object get()該方法返回當前線程所對應的線程局部變量。

public void remove()將當前線程局部變量的值刪除，目的是為了減少內存的占用，該方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，當線程結束后，對應該線程的局部變量將自動被垃圾回收，所以顯式調用該方法清除線程的局部變量并不是必須的操作，但它可以加快內存回收的速度。

protected Object initialValue()返回該線程局部變量的初始值，該方法是一個protected的方法，顯然是為了讓子類覆蓋而設計的。這個方法是一個延遲調用方法，在線程第1次調用get()或set(Object)時才執行，并且僅執行1次。ThreadLocal中的缺省實現直接返回一個null。

在同步機制中，通過對象的鎖機制保證同一時間只有一個線程訪問變量。這時該變量是多個線程共享的，使用同步機制要求程序慎密地分析什么時候對變量進行讀寫，什么時候需要鎖定某個對象，什么時候釋放對象鎖等繁雜的問題，程序設計和編寫難度相對較大。

而ThreadLocal則從另一個角度來解決多線程的并發訪問。ThreadLocal會為每一個線程提供一個獨立的變量副本，從而隔離了多個線程對數據的訪問沖突。因為每一個線程都擁有自己的變量副本，從而也就沒有必要對該變量進行同步了。ThreadLocal提供了線程安全的共享對象，在編寫多線程代碼時，可以把不安全的變量封裝進ThreadLocal。

如果想在get之前不需要調用set就能正常訪問的話，必須重寫initialValue()方法。最常見的ThreadLocal使用場景為 用來解決 數據庫連接、Session管理等。

1.2 使用ThreadLocal

public class ThreadTest { ThreadLocal longLocal = new ThreadLocal(){ protected Long initialValue() { return Thread.currentThread().getId(); } }; ThreadLocal stringLocal = new ThreadLocal(){; protected String initialValue() { return Thread.currentThread().getName(); } }; public void set() { longLocal.set(Thread.currentThread().getId()); stringLocal.set(Thread.currentThread().getName()); } public long getLong() { return longLocal.get(); } public String getString() { return stringLocal.get(); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final ThreadTest test = new ThreadTest(); //test.set(); System.out.println("main.getLong: " + test.getLong()); System.out.println("main.getString: " + test.getString()); Thread thread1 = new Thread() { public void run() { //test.set(); System.out.println("Thread.getLong: " + test.getLong()); System.out.println("Thread.getString: " + test.getString()); } }; thread1.start(); thread1.join(); } }

以上demo覆寫了initialValue()方法，或者調用set方法，否則會報空指針異常。在main線程中和thread1線程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一樣。

2. ThreadLocalMap

ThreadLocalMap的Entry繼承了WeakReference，并且使用ThreadLocal作為鍵值。

1. 實際的通過ThreadLocal創建的副本是存儲在每個線程自己的threadLocals中的；

2. 為何threadLocals的類型ThreadLocalMap的鍵值為ThreadLocal對象，因為每個線程中可有多個threadLocal變量，就像上面代碼中的longLocal和stringLocal；

3. 在進行get之前，必須先set，否則會報空指針異常；

2.1 方法分析

1). JDK8的ThreadLocal的get方法的源碼

/** * Returns the value in the current thread's copy of this * thread-local variable. If the variable has no value for the * current thread, it is first initialized to the value returned * by an invocation of the {@link #initialValue} method. * * @return the current thread's value of this thread-local */ 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(); }

2). getMap

/** * Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in * InheritableThreadLocal. * * @param t the current thread * @return the map */ ThreadLocalMap getMap(Thread t) { return t.threadLocals; }

3). setInitialValue

/** * Variant of set() to establish initialValue. Used instead * of set() in case user has overridden the set() method. * * @return the initial value */ 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; }

get方法的流程是這樣的：

1.首先獲取當前線程

2.根據當前線程獲取一個Map

3.如果獲取的Map不為空，則在Map中以ThreadLocal的引用作為key來在Map中獲取對應的value e，否則轉到5

4.如果e不為null，則返回e.value，否則轉到5

5.Map為空或者e為空，則通過initialValue函數獲取初始值value，然后用ThreadLocal的引用和value作為firstKey和firstValue創建一個新的Map

每個Thread維護一個ThreadLocalMap映射表，這個映射表的key是ThreadLocal實例本身，value是真正需要存儲的Object。

3. WeakReference

關于內存泄露：

ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作為key，如果一個ThreadLocal沒有外部強引用引用他，那么系統gc的時候，這個ThreadLocal勢必會被回收，這樣一來，ThreadLocalMap中就會出現key為null的Entry，就沒有辦法訪問這些key為null的Entry的value，如果當前線程再遲遲不結束的話，這些key為null的Entry的value就會一直存在一條強引用鏈：

ThreadLocal Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value

主要看下getEntryAfterMiss函數：

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; }

ThreadLocalMap的getEntry函數的流程：

首先從ThreadLocal的直接索引位置(通過ThreadLocal.threadLocalHashCode & (len-1)運算得到)獲取Entry e，如果e不為null并且key相同則返回e；

如果e為null或者key不一致則向下一個位置查詢，如果下一個位置的key和當前需要查詢的key相等，則返回對應的Entry，否則，如果key值為null，則擦除該位置的Entry，否則繼續向下一個位置查詢

在這個過程中遇到的key為null的Entry都會被擦除，那么Entry內的value也就沒有強引用鏈，自然會被回收。仔細研究代碼可以發現，set操作也有類似的思想，將key為null的這些Entry都刪除，防止內存泄露。 但是光這樣還是不夠的，上面的設計思路依賴一個前提條件：要調用ThreadLocalMap的genEntry函數或者set函數。這當然是不可能任何情況都成立的，所以很多情況下需要使用者手動調用ThreadLocal的remove函數，手動刪除不再需要的ThreadLocal，防止內存泄露。所以JDK建議將ThreadLocal變量定義成private static的，這樣的話ThreadLocal的生命周期就更長，由于一直存在ThreadLocal的強引用，所以ThreadLocal也就不會被回收，也就能保證任何時候都能根據ThreadLocal的弱引用訪問到Entry的value值，然后remove它，防止內存泄露。

參考：

ThreadLocal和synchronized的區別

Java并發編程：深入剖析ThreadLocal

Java 任務調度

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