ThreadLocal夺命11连问

Posted 2022-05-17 苏三说技术

前言

前一段时间，有同事使用ThreadLocal踩坑了，正好引起了我的兴趣。

所以近期，我抽空把ThreadLocal的源码再研究了一下，越看越有意思，发现里面的东西还真不少。

我把精华浓缩了一下，汇集成了下面11个问题，看看你能顶住第几个？

1. 为什么要用ThreadLocal?

并发编程是一项非常重要的技术，它让我们的程序变得更加高效。

但在并发的场景中，如果有多个线程同时修改公共变量，可能会出现线程安全问题，即该变量最终结果可能出现异常。

为了解决线程安全问题，JDK出现了很多技术手段，比如：使用synchronized或Lock，给访问公共资源的代码上锁，保证了代码的原子性。

但在高并发的场景中，如果多个线程同时竞争一把锁，这时会存在大量的锁等待，可能会浪费很多时间，让系统的响应时间一下子变慢。

因此，JDK还提供了另外一种用空间换时间的新思路：ThreadLocal。

它的核心思想是：共享变量在每个线程都有一个副本，每个线程操作的都是自己的副本，对另外的线程没有影响。

例如：

@Service
public class ThreadLocalService 
    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public void add() 
        threadLocal.set(1);
        doSamething();
        Integer integer = threadLocal.get();
    

2. ThreadLocal的原理是什么？

为了搞清楚ThreadLocal的底层实现原理，我们不得不扒一下源码。

ThreadLocal的内部有一个静态的内部类叫：ThreadLocalMap。

public class ThreadLocal<T> 
     ...
     public T get() 
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //获取当前线程的成员变量ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) 
            //根据threadLocal对象从map中获取Entry对象
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) 
                @SuppressWarnings("unchecked")
                //获取保存的数据
                T result = (T)e.value;
                return result;
            
        
        //初始化数据
        return setInitialValue();
    
    
    private T setInitialValue() 
        //获取要初始化的数据
        T value = initialValue();
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //获取当前线程的成员变量ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //如果map不为空
        if (map != null)
            //将初始值设置到map中，key是this，即threadLocal对象，value是初始值
            map.set(this, value);
        else
           //如果map为空，则需要创建新的map对象
            createMap(t, value);
        return value;
    
    
    public void set(T value) 
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //获取当前线程的成员变量ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //如果map不为空
        if (map != null)
            //将值设置到map中，key是this，即threadLocal对象，value是传入的value值
            map.set(this, value);
        else
           //如果map为空，则需要创建新的map对象
            createMap(t, value);
    
    
     static class ThreadLocalMap 
        ...
     
     ...

ThreadLocal的get方法、set方法和setInitialValue方法，其实最终操作的都是ThreadLocalMap类中的数据。

其中ThreadLocalMap类的内部如下：

static class ThreadLocalMap 
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> 
        Object value;

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) 
            super(k);
            value = v;
        
   
   ...
   private Entry[] table;
   ...

ThreadLocalMap里面包含一个静态的内部类Entry，该类继承于WeakReference类，说明Entry是一个弱引用。

ThreadLocalMap内部还包含了一个Entry数组，其中：Entry = ThreadLocal + value。

而ThreadLocalMap被定义成了Thread类的成员变量。

public class Thread implements Runnable 
    ...
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

下面用一张图从宏观上，认识一下ThreadLocal的整体结构：

从上图中看出，在每个Thread类中，都有一个ThreadLocalMap的成员变量，该变量包含了一个Entry数组，该数组真正保存了ThreadLocal类set的数据。

Entry是由threadLocal和value组成，其中threadLocal对象是弱引用，在GC的时候，会被自动回收。而value就是ThreadLocal类set的数据。

下面用一张图总结一下引用关系：

上图中除了Entry的key对ThreadLocal对象是弱引用，其他的引用都是强引用。

需要特别说明的是，上图中ThreadLocal对象我画到了堆上，其实在实际的业务场景中不一定在堆上。因为如果ThreadLocal被定义成了static的，ThreadLocal的对象是类共用的，可能出现在方法区。

3. 为什么用ThreadLocal做key？

不知道你有没有思考过这样一个问题：ThreadLocalMap为什么要用ThreadLocal做key，而不是用Thread做key？

如果在你的应用中，一个线程中只使用了一个ThreadLocal对象，那么使用Thread做key也未尝不可。

@Service
public class ThreadLocalService 
    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    

但实际情况中，你的应用，一个线程中很有可能不只使用了一个ThreadLocal对象。这时使用Thread做key不就出有问题？

@Service
public class ThreadLocalService 
    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal1 = new ThreadLocal<>();
    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal2 = new ThreadLocal<>();
    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal3 = new ThreadLocal<>();
    

假如使用Thread做key时，你的代码中定义了3个ThreadLocal对象，那么，通过Thread对象，它怎么知道要获取哪个ThreadLocal对象呢？

如下图所示：

因此，不能使用Thread做key，而应该改成用ThreadLocal对象做key，这样才能通过具体ThreadLocal对象的get方法，轻松获取到你想要的ThreadLocal对象。

如下图所示：

4. Entry的key为什么设计成弱引用？

前面说过，Entry的key，传入的是ThreadLocal对象，使用了WeakReference对象，即被设计成了弱引用。

那么，为什么要这样设计呢？

假如key对ThreadLocal对象的弱引用，改为强引用。

我们都知道ThreadLocal变量对ThreadLocal对象是有强引用存在的。

即使ThreadLocal变量生命周期完了，设置成null了，但由于key对ThreadLocal还是强引用。

此时，如果执行该代码的线程使用了线程池，一直长期存在，不会被销毁。

就会存在这样的强引用链：Thread变量 -> Thread对象 -> ThreadLocalMap -> Entry -> key -> ThreadLocal对象。

那么，ThreadLocal对象和ThreadLocalMap都将不会被GC回收，于是产生了内存泄露问题。

为了解决这个问题，JDK的开发者们把Entry的key设计成了弱引用。

弱引用的对象，在GC做垃圾清理的时候，就会被自动回收了。

如果key是弱引用，当ThreadLocal变量指向null之后，在GC做垃圾清理的时候，key会被自动回收，其值也被设置成null。

如下图所示：

接下来，最关键的地方来了。

由于当前的ThreadLocal变量已经被指向null了，但如果直接调用它的get、set或remove方法，很显然会出现空指针异常。因为它的生命已经结束了，再调用它的方法也没啥意义。

此时，如果系统中还定义了另外一个ThreadLocal变量b，调用了它的get、set或remove，三个方法中的任何一个方法，都会自动触发清理机制，将key为null的value值清空。

如果key和value都是null，那么Entry对象会被GC回收。如果所有的Entry对象都被回收了，ThreadLocalMap也会被回收了。

这样就能最大程度的解决内存泄露问题。

需要特别注意的地方是：

1. key为null的条件是，ThreadLocal变量指向null，并且key是弱引用。如果ThreadLocal变量没有断开对ThreadLocal的强引用，即ThreadLocal变量没有指向null，GC就贸然的把弱引用的key回收了，不就会影响正常用户的使用？
2. 如果当前ThreadLocal变量指向null了，并且key也为null了，但如果没有其他ThreadLocal变量触发get、set或remove方法，也会造成内存泄露。

下面看看弱引用的例子：

public static void main(String[] args) 
    WeakReference<Object> weakReference0 = new WeakReference<>(new Object());
    System.out.println(weakReference0.get());
    System.gc();
    System.out.println(weakReference0.get());

打印结果：

java.lang.Object@1ef7fe8e
null

传入WeakReference构造方法的是直接new处理的对象，没有其他引用，在调用gc方法后，弱引用对象会被自动回收。

但如果出现下面这种情况：

public static void main(String[] args) 
    Object object = new Object();
    WeakReference<Object> weakReference1 = new WeakReference<>(object);
    System.out.println(weakReference1.get());
    System.gc();
    System.out.println(weakReference1.get());

执行结果：

java.lang.Object@1ef7fe8e
java.lang.Object@1ef7fe8e

先定义了一个强引用object对象，在WeakReference构造方法中将object对象的引用作为参数传入。这时，调用gc后，弱引用对象不会被自动回收。

我们的Entry对象中的key不就是第二种情况吗？在Entry构造方法中传入的是ThreadLocal对象的引用。

如果将object强引用设置为null：

public static void main(String[] args) 
    Object object = new Object();
    WeakReference<Object> weakReference1 = new WeakReference<>(object);
    System.out.println(weakReference1.get());
    System.gc();
    System.out.println(weakReference1.get());

    object=null;
    System.gc();
    System.out.println(weakReference1.get());

执行结果：

java.lang.Object@6f496d9f
java.lang.Object@6f496d9f
null

第二次gc之后，弱引用能够被正常回收。

由此可见，如果强引用和弱引用同时关联一个对象，那么这个对象是不会被GC回收。也就是说这种情况下Entry的key，一直都不会为null，除非强引用主动断开关联。

此外，你可能还会问这样一个问题：Entry的value为什么不设计成弱引用？

答：Entry的value如果只是被Entry引用，有可能没被业务系统中的其他地方引用。如果将value改成了弱引用，被GC贸然回收了（数据突然没了），可能会导致业务系统出现异常。

而相比之下，Entry的key，管理的地方就非常明确了。

这就是Entry的key被设计成弱引用，而value没被设计成弱引用的原因。

5. ThreadLocal真的会导致内存泄露？

通过上面的Entry对象中的key设置成弱引用，并且使用get、set或remove方法清理key为null的value值，就能彻底解决内存泄露问题？

答案是否定的。

如下图所示：

假如ThreadLocalMap中存在很多key为null的Entry，但后面的程序，一直都没有调用过有效的ThreadLocal的get、set或remove方法。

那么，Entry的value值一直都没被清空。

所以会存在这样一条强引用链：Thread变量 -> Thread对象 -> ThreadLocalMap -> Entry -> value -> Object。

其结果就是：Entry和ThreadLocalMap将会长期存在下去，会导致内存泄露。

6. 如何解决内存泄露问题？

前面说过的ThreadLocal还是会导致内存泄露的问题，我们有没有解决办法呢？

答：有办法，调用ThreadLocal对象的remove方法。

不是在一开始就调用remove方法，而是在使用完ThreadLocal对象之后。列如：

先创建一个CurrentUser类，其中包含了ThreadLocal的逻辑。

public class CurrentUser 
    private static final ThreadLocal<UserInfo> THREA_LOCAL = new ThreadLocal();
    
    public static void set(UserInfo userInfo) 
        THREA_LOCAL.set(userInfo);
    
    
    public static UserInfo get() 
       THREA_LOCAL.get();
    
    
    public static void remove() 
       THREA_LOCAL.remove();
    

然后在业务代码中调用相关方法：

public void doSamething(UserDto userDto) 
   UserInfo userInfo = convert(userDto);
   
   try
     CurrentUser.set(userInfo);
     ...
     
     //业务代码
     UserInfo userInfo = CurrentUser.get();
     ...
    finally 
      CurrentUser.remove();
   

需要我们特别注意的地方是：一定要在finally代码块中，调用remove方法清理没用的数据。如果业务代码出现异常，也能及时清理没用的数据。

remove方法中会把Entry中的key和value都设置成null，这样就能被GC及时回收，无需触发额外的清理机制，所以它能解决内存泄露问题。

7. ThreadLocal是如何定位数据的？

前面说过ThreadLocalMap对象底层是用Entry数组保存数据的。

那么问题来了，ThreadLocal是如何定位Entry数组数据的？

在ThreadLocal的get、set、remove方法中都有这样一行代码：

int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

通过key的hashCode值，与数组的长度减1。其中key就是ThreadLocal对象，与数组的长度减1，相当于除以数组的长度减1，然后取模。

这是一种hash算法。

接下来给大家举个例子：假设len=16，key.threadLocalHashCode=31，

于是： int i = 31 & 15 = 15

相当于：int i = 31 % 16 = 15

计算的结果是一样的，但是使用与运算效率跟高一些。

为什么与运算效率更高？

答：因为ThreadLocal的初始大小是16，每次都是按2倍扩容，数组的大小其实一直都是2的n次方。这种数据有个规律就是高位是0，低位都是1。在做与运算时，可以不用考虑高位，因为与运算的结果必定是0。只需考虑低位的与运算，所以效率更高。

如果使用hash算法定位具体位置的话，就可能会出现hash冲突的情况，即两个不同的hashCode取模后的值相同。

ThreadLocal是如何解决hash冲突的呢？

我们看看getEntry是怎么做的：

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) 
    //通过hash算法获取下标值
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    //如果下标位置上的key正好是我们所需要寻找的key
    if (e != null && e.get() == key)
        //说明找到数据了，直接返回
        return e;
    else
        //说明出现hash冲突了，继续往后找
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);

再看看getEntryAfterMiss方法：

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) 
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    //判断Entry对象如果不为空，则一直循环
    while (e != null) 
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        //如果当前Entry的key正好是我们所需要寻找的key
        if (k == key)
            //说明这次真的找到数据了
            return e;
        if (k == null)
            //如果key为空，则清理脏数据
            expungeStaleEntry(i);
        else
            //如果还是没找到数据，则继续往后找
            i = nextIndex(i, len);
        e = tab[i];
    
    return null;

关键看看nextIndex方法：

private static int nextIndex(int i, int len) 
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);

当通过hash算法计算出的下标小于数组大小，则将下标值加1。否则，即下标大于等于数组大小，下标变成0了。下标变成0之后，则循环一次，下标又变成1。。。

寻找的大致过程如下图所示：

如果找到最后一个，还是没有找到，则再从头开始找。

不知道你有没有发现，它构成了一个：环形。

ThreadLocal从数组中找数据的过程大致是这样的：

1. 通过key的hashCode取余计算出一个下标。
2. 通过下标，在数组中定位具体Entry，如果key正好是我们所需要的key，说明找到了，则直接返回数据。
3. 如果第2步没有找到我们想要的数据，则从数组的下标位置，继续往后面找。
4. 如果第3步中找key的正好是我们所需要的key，说明找到了，则直接返回数据。
5. 如果还是没有找到数据，再继续往后面找。如果找到最后一个位置，还是没有找到数据，则再从头，即下标为0的位置，继续从前往后找数据。
6. 直到找到第一个Entry为空为止。

8. ThreadLocal是如何扩容的？

从上面得知，ThreadLocal的初始大小是16。那么问题来了，ThreadLocal是如何扩容的？

在set方法中会调用rehash方法：

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) 
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) 
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        if (k == key) 
            e.value = value;
            return;
        

        if (k == null) 
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        
    

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

注意一下，其中有个判断条件是：sz(之前的size+1)如果大于或等于threshold的话，则调用rehash方法。

threshold默认是0，在创建ThreadLocalMap时，调用它的构造方法：

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) 
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);

调用setThreshold方法给threshold设置一个值，而这个值INITIAL_CAPACITY是默认的大小16。

private void setThreshold(int len) 
    threshold = len * 2 / 3;

也就是第一次设置的threshold = 16 * 2 / 3， 取整后的值是：10。

换句话说当sz大于等于10时，就可以考虑扩容了。

rehash代码如下：

private void rehash() 
    //先尝试回收一次key为null的值，腾出一些空间
    expungeStaleEntries();

    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resizeHashMap中扩容问题夺命6连问，问到了硬件层，你能顶住吗？

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