ThreadLocal源码分析_02 内核(ThreadLocalMap)

Posted 2021-05-18 兴趣使然の草帽路飞

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了ThreadLocal源码分析_02 内核(ThreadLocalMap)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

本篇文章是接着上一篇：ThreadLocal源码分析_01 入门案例以及表层源码分析，继续分析！
本篇主要介绍ThreadLocal的内核ThreadLocalMap(ThreadLocal的静态内部类)，在学习ThreadLocalMap内核前，再来复习一下ThreadLocal的执行流程图：

下面就正式分析一下ThreadLocalMap的原理：

1、成员属性

/**
 * 初始化当前map内部散列表数组的初始长度 16
 */
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

/**
 * threadLocalMap 内部散列表数组的引用，数组的长度必须是2的次方数
 */
private Entry[] table;

/**
 * 当前散列表数组占用情况，存放多少个entry。
 */
private int size = 0;

/**
 * 扩容触发阈值，初始值为： len * 2/3 
 * 触发后调用 rehash() 方法。
 * rehash() 方法先做一次全量检查全局过期数据，把散列表中所有过期的entry移除。
 * 如果移除之后,当前散列表中的entry个数仍然达到(threshold - threshold/4)，
 * 即，当前threshold阈值的3/4就进行扩容。
 */
private int threshold; // Default to 0

/**
 * Set the resize threshold to maintain at worst a 2/3 load factor.
 * 将阈值设置为 （当前数组长度 * 2）/ 3。
 */
private void setThreshold(int len) {
    threshold = len * 2 / 3;
}

/**
 * 将阈值设置为 （当前数组长度 * 2）/ 3。
 */
private void setThreshold(int len) {
    threshold = len * 2 / 3;
}

2、内部类

这里内部类Entry继承了弱引用WeakReference：

什么是弱引用呢？eg:
```
A a = new A();     								// 强引用
WeakReference weakA = new WeakReference(a);  	// 弱引用
```
当a = null;，则下一次GC时对象a就被回收了，不管有没有弱引用是否在关联这个对象：

对于弱引用强引用详细介绍，可以参考：这篇文章第1小节总结了Java种的5种引用！
key 使用的是弱引用保留，key保存的是threadLocal对象。
value 使用的是强引用，value保存的是 threadLocal对象与当前线程相关联的 value。

/**
 * ThreadLocalMap的Entry内部类： 成员属性有2个  --->  key 和 value
 */
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    // value：使用的是强引用，value保存的是 threadLocal对象与当前线程相关联的value。
    Object value;

    // k: key 使用的是弱引用保留，key保存的是threadLocal对象。
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

Entry的key这样设计有什么好处呢？

当threadLocal对象失去强引用且对象GC回收后，散列表中的与 threadLocal对象相关联的 entry#key 再次去key.get()时，拿到的是null。
站在map角度就可以区分出哪些entry是过期的，哪些entry是非过期的。

3、构造方法

Thread.threadLocals字段是延迟初始化的，只有线程第一次存储 threadLocal-value 时才会创建!

/**
 * firstKey: threadLocal对象
 * firstValue: 当前线程与threadLocal对象关联的value
 */
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    // 创建entry数组长度为16，表示threadLocalMap内部的散列表。
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    // 寻址算法：key.threadLocalHashCode & (table.length - 1)
    // table数组的长度一定是 2 的次方数。
    // 2的次方数-1 有什么特征呢？  转化为2进制后都是1.    16 ==> 1 0000 - 1 => 1111
    // 1111与任何数值进行&运算后 得到的数值 一定是 <= 1111

    // i计算出来的结果一定是 <= b1111
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);

    // 创建entry对象 存放到指定位置的slot中。
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    // 设置size = 1
    size = 1;
    // 设置扩容阈值 （当前数组长度 * 2）/ 3  => 16 * 2 / 3 => 10
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
    Entry[] parentTable = parentMap.table;
    int len = parentTable.length;
    setThreshold(len);
    table = new Entry[len];

    for (int j = 0; j < len; j++) {
        Entry e = parentTable[j];
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
            if (key != null) {
                Object value = key.childValue(e.value);
                Entry c = new Entry(key, value);
                int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
                while (table[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                table[h] = c;
                size++;
            }
        }
    }
}

4、成员方法

nextIndex方法

/**
 * 获得下一个数组下标位置：
 * 参数1：当前散列表数组下标
 * 参数2：当前散列表数组长度
 */
private static int nextIndex(int i, int len) {
    // 当前数组下标i+1，如果计算结果：小于散列表数组长度，则返回 +1后的值
    // 否则：这种情况就是 下标i+1 == len ，返回0
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
    // 实际形成一个环绕式的访问，如下图：
}

在这里插入图片描述

prevIndex方法

/**
 * 获得上一个数组下标位置：
 * 参数1：当前散列表数组下标
 * 参数2：当前散列表数组长度
 */
private static int prevIndex(int i, int len) {
    // 当前下标i-1 大于等于0，则返回 i-1后的值。
    // 否则，说明当前下标i-1 == -1. 此时返回散列表最大下标。
    // 实际形成一个环绕式的访问。
    return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}

getEntry方法

ThreadLocal对象的get()方法实际上是由ThreadLocalMap.getEntry() 代理完成的！

/**
 * 根据ThreadLocal对象，获取Entry
 * key: 某个ThreadLocal对象，因为散列表中存储的entry.key类型是ThreadLocal。
 * @return Entry
 */
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    // 桶位路由规则： ThreadLocal.threadLocalHashCode & (table.length - 1) ==> index
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    // 访问散列表中指定位置的slot桶，拿到 Entry
    Entry e = table[i];
    // 条件一：成立 说明slot有值
    // 条件二：成立 说明entry#key 与当前查询的key一致，返回当前entry给上层就可以了。
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        // 有几种情况会执行到这里？
        // 情况一：桶位上的 e == null
        // 情况二：根据key没有查询到 e.key != key


    	// getEntryAfterMiss方法：会继续向当前桶位后面继续搜索 e.key == key 的entry.

    	// 为什么这样做呢？？
    	// 因为存储时如果发生hash冲突后，并没有在entry层面形成链表...
        // 那么，当存储时，如果hash冲突了，处理的方式就是线性的向后找到一个可以使用的slot，并且将entry存放进去。
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

getEntryAfterMiss方法

继续在桶位i之后的桶中寻找满足e.key == key条件的桶！

/**
 * 继续在桶位i之后的桶中寻找满足e.key == key条件的桶！
 * @param  threadLocal对象表示key
 * @param  i表示key计算出来的index
 * @param  e表示table[index] 中的 entry
 * @return Entry
 */
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    // 获取当前threadLocalMap中的散列表table
    Entry[] tab = table;
    // 获取table长度
    int len = tab.length;

    // while循环条件：e != null 说明向后查找的范围是有限的，碰到 slot == null 的情况，则搜索结束！
    // e: 循环处理的当前元素
    while (e != null) {
        // 获取当前slot中entry对象的key
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        // k == key条件成立：说明向后查询过程中找到合适的entry了，直接返回entry就ok了。
        if (k == key)
            // 找到的情况下，就从这里返回了~
            return e;
        // k == null条件成立：说明当前slot中的entry#key 关联的ThreadLocal对象已经被GC回收了.. 
        // 因为key是弱引用，key = e.get() == null.
        if (k == null)
            // 做一次探测式过期数据回收。
            expungeStaleEntry(i);
        else
            // 更新index，继续向后搜索
            i = nextIndex(i, len);
        // 获取下一个slot中的entry。
        e = tab[i];
    }

    // 执行到这里，说明关联区段内都没找到相应数据。
    return null;
}

expungeStaleEntry方法

探测式清理过期数据：以staleSlot位置开始继续向后查找过期数据，直到碰到slot == null的情况结束，并返回结束时的数组下标位置~

/**
 * 参数staleSlot: table[staleSlot]就是一个过期数据，
 * 以这个位置开始继续向后查找过期数据，直到碰到slot == null的情况结束:
 */
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
    // 获取散列表
    Entry[] tab = table;
    // 获取散列表当前长度
    int len = tab.length;

    // help gc
    tab[staleSlot].value = null;
    // 因为staleSlot位置的entry是过期的，所以这里直接置为Null
    tab[staleSlot] = null;
    // 因为上面干掉一个元素，所以 size-1.
    size--;

    // e：表示当前遍历节点
    Entry e;
    // i：表示当前遍历的index
    int i;

    // for循环从staleSlot + 1的位置开始搜索过期数据，直到碰到 slot == null 结束:
    for (i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
        // 进入到for循环里面 当前entry一定不为null

        // 获取当前遍历节点 entry 的key.
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        // 条件成立：说明k表示的threadLocal对象已经被GC回收了... 
        // 则，当前entry属于脏数据了...
        if (k == null) {
            // help gc
            e.value = null;
            // 脏数据对应的slot置为null
            tab[i] = null;
            // 因为上面干掉一个元素，所以 size-1.
            size--;
        } else {
            // 执行到这里，说明当前遍历的slot中对应的entry 是非过期数据:
            // 因为前面有可能清理掉了几个过期数据,且当前entry存储时有可能碰到hash冲突了，
            // 应该往后偏移存储，这个时候应该去优化位置，让这个位置更靠近正确位置！
            // 这样的话，查询的时候效率才会更高！

            // 重新计算当前entry对应的 index
            int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
            // 条件成立：说明当前entry存储时 就是发生过hash冲突，然后向后偏移过了...
            if (h != i) {
                // 将entry当前位置 设置为null
                tab[i] = null;

                // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                // null because multiple entries could have been stale.

                // h 是正确位置。

                // 以正确位置h 开始，向后查找第一个 可以存放entry的位置。
                while (tab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);

                // 将当前元素放入到 距离正确位置 更近的位置（有可能就是正确位置）。
                tab[h] = e;
            }
        }
    }
    return i;
}

该方法执行流程图如下所示：

在这里插入图片描述

set方法

ThreadLocal使用set方法给当前线程添加 threadLocal-value键值对：

/**
 *
 * ThreadLocal使用set方法给当前线程添加 threadLocal-value键值对
 *
 * @param key：threadLocal对象（Entry的key值）
 * @param value：Entry的value值
 */
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    // 获取散列表
    Entry[] tab = table;
    // 获取散列表数组长度
    int len = tab.length;
    // 计算当前key 在散列表中的对应的位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    // 以当前key对应的slot位置向后查询，直到找到可以使用的slot桶位：
    // 什么时候slot桶位可以使用呢？？
    // 1.k == key说明是替换
    // 2.碰到一个过期的slot ，这个时候可以强行占用
    // 3.查找过程中碰到 slot == null
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {

        // 获取当前元素key
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        // 条件成立：说明当前set操作是一个替换操作：
        if (k == key) {
            // 做替换逻辑：
            e.value = value;
            return;
        }

        // 条件成立：说明向下寻找过程中碰到entry#key == null 的情况了，说明当前entry是过期数据：
        if (k == null) {
            // 碰到一个过期的slot ，这个时候可以强行占用该桶位
            // 替换过期数据的逻辑：
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    // 执行到这里，说明for循环碰到了slot == null 的情况。
    // 在合适的slot中，创建一个新的entry对象：
    tab[i] = new Entry(key, value);
    // 因为是新添加，所以++size.
    int sz = ++size;

    // 做一次启发式清理：
    // 条件一：!cleanSomeSlots(i, sz) 成立，说明启发式清理工作未清理到任何数据..
    // 条件二：sz >= threshold 成立，说明当前table内的entry已经达到扩容阈值了..会触发rehash操作。
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

replaceStaleEntry方法

在set()方法向下寻找可用solt桶位的过程中，如果碰到key == null 的情况，说明当前entry是过期数据，这个时候可以强行占用该桶位，通过replaceStaleEntry方法执行替换过期数据的逻辑：

/**
 * @param  key: 键 threadLocal对象
 * @param  value: val
 * @param  staleSlot: 上层方法set方法，迭代查找时发现的当前这个slot是一个过期的entry
 */
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
                               int staleSlot) {
    // 获取散列表
    Entry[] tab = table;
    // 获取散列表数组长度
    int len = tab.length;
    // 临时变量
    Entry e;

    // slotToExpunge表示开始探测式清理过期数据的开始下标：默认从当前staleSlot开始。
    int slotToExpunge = staleSlot;

    // 以当前staleSlot开始 向前迭代查找，找有没有过期的数据。for循环一直到碰到null结束。
    for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = prevIndex(i, len)){
        // 条件成立：说明向前找到了过期数据，更新 探测清理过期数据的开始下标为 i
        if (e.get() == null){
            slotToExpunge = i;
        }
    }

    // 以当前staleSlot向后去查找，直到碰到null为止。
    for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
        // 获取当前元素 key
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        // 条件成立：说明是一个替换逻辑：
        if (k == key) {
            // 替换新数据
            e.value = value;

            // 交换位置的逻辑..
            // 将table[staleSlot]这个过期数据 放到 当前循环到的 table[i] 这个位置。
            tab[i] = tab[staleSlot];
            // 将tab[staleSlot] 中保存为 当前entry。 这样的话，这个数据位置就被优化了..
            tab[staleSlot] = e;

            // 如果条件成立：
            // 1.说明replaceStaleEntry 一开始时 的向前查找过期数据 并未找到过期的entry.
            // 2.向后检查过程中也未发现过期数据..
            if (slotToExpunge == staleSlot)
                // 开始探测式清理过期数据的下标 修改为 当前循环的index。
                slotToExpunge = i;


            // cleanSomeSlots ：启发式清理
            cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
            return;
        }

        // 条件1：k == null 成立，说明当前遍历的entry是一个过期数据..
        // 条件2：slotToExpunge == staleSlot 成立，一开始时的向前查找过期数据并未找到过期的entry.
        if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
            // 因为向后查询过程中查找到一个过期数据了，更新slotToExpunge为当前位置。
            // 前提条件是 前驱扫描时 未发现 过期数据..
            slotToExpunge = i;
    }

    // 什么时候执行到这里呢？
    // 向后查找过程中 并未发现 k == key 的entry，说明当前set操作 是一个添加逻辑..

    // 直接将新数据添加到 table[staleSlot] 对应的slot中。
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = new Entry(key, value);


    // 条件成立：除了当前staleSlot 以外 ，还发现其它的过期slot了.. 所以要开启清理数据的逻辑..
    if (slotToExpunge != staleSlot)
        cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}

replaceStaleEntry执行流程图如下：

在这里插入图片描述

cleanSomeSlots方法

启发式清理工作的方法：

/**
 * 启发式清理工作的方法：
 * 参数 i：启发式清理工作开始位置
 * 参数 n：一般传递的是 table.length ，这里n 也表示结束条件。
 * @return true if any stale entries have been removed.
 */
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
    // 表示启发式清理工作，是否清楚过过期数据
    boolean removed = false;
    // 获取当前map的散列表引用
    Entry[] tab = table;
    // 获取当前散列表数组长度
    int len = tab.length;

    do {
        // 这里为什么不是从i就检查呢？
        // 因为cleanSomeSlots(i = expungeStaleEntry(???), n)  expungeStaleEntry(???) 
        // 返回值一定是null!

        // 获取当前i的下一个下标
        i = nextIndex(i, len);
        // 获取table中当前下标为i的元素
        Entry e = tab[i];
        // 条件一：e != null 成立
        // 条件二：e.get() == null 成立，说明当前slot中保存的entry 是一个过期的数据..
        if (e != null && e.get() == null) {
            // 重新更新n为 table数组长度
            n = len;
            // 表示清理过数据.
            removed = true;
            // 以当前过期的slot为开始节点 做一次 探测式清理工作
            i = expungeStaleEntry(i);
        }

        // 假设table长度为16
        // 16 >>> 1 ==> 8
        // 8 >>> 1 ==> 4
        // 4 >>> 1 ==> 2
        // 2 >>> 1 ==> 1
        // 1 >>> 1 ==> 0
    } while ( (n >>>= 1) != 0);

    return removed;
}

cleanSomeSlots启发式清理流程图：

在这里插入图片描述

rehash方法

扩容方法：

private void rehash() {
    // 这个方法执行完后，当前散列表内的所有过期的数据，都会被干掉。
    expungeStaleEntries();

    // 条件成立：说明清理完 过期数据后，
    // 当前散列表内的entry数量仍然达到了threshold * 3/4，则真正触发扩容！
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        // 真正执行扩容的方法：
        resize();
}

resize方法

真正执行扩容的方法：

private void resize() {
    // 获取当前散列表
    Entry[] oldTab = table;
    // 获取当前散列表长度
    int oldLen = oldTab.length;
    // 计算出扩容后的表大小 oldLen * 2(旧容量的2倍)
    int newLen = oldLen * 2;
    // 创建一个新的散列表
    Entry[] newTab = new Entry[newLen];
    // 表示新table中的entry数量。
    int count = 0;

    // 遍历老表 迁移数据到新表：
    for (int j = 0; j <以上是关于ThreadLocal源码分析_02 内核(ThreadLocalMap)的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 ThreadLocal源码夺命12问，你能坚持到第几问？
 ThreadLocal源码分析
 源码分析--ThreadLocal（图解）
 Java 实习生每日面试题打卡——ThreadLocal源码夺命12问，你能坚持到第几问？
 深入浅出Java并发编程指南「源码分析篇」透析ThreadLocal线程私有区域的运作机制和源码体系
 ThreadLocal源码分析_01 入门案例以及表层源码分析