ThreadLocal

Posted 2021-05-21 恒奇恒毅

感谢传智播客老师深入细致的讲解

ThreadLocal

1. ThreadLocal介绍

1.1 官方介绍

/**
 * 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).
 *
 * <p>For example, the class below generates unique identifiers local to each
 * thread.
 * A thread's id is assigned the first time it invokes {@code ThreadId.get()}
 * and remains unchanged on subsequent calls.
 * <pre>
 * import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 *
 * public class ThreadId {
 *     // Atomic integer containing the next thread ID to be assigned
 *     private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);
 *
 *     // Thread local variable containing each thread's ID
 *     private static final ThreadLocal&lt;Integer&gt; threadId =
 *         new ThreadLocal&lt;Integer&gt;() {
 *             &#64;Override protected Integer initialValue() {
 *                 return nextId.getAndIncrement();
 *         }
 *     };
 *
 *     // Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessary
 *     public static int get() {
 *         return threadId.get();
 *     }
 * }
 * </pre>
 * <p>Each thread holds an implicit reference to its copy of a thread-local
 * variable as long as the thread is alive and the {@code ThreadLocal}
 * instance is accessible; after a thread goes away, all of its copies of
 * thread-local instances are subject to garbage collection (unless other
 * references to these copies exist).
 *
 * @author  Josh Bloch and Doug Lea
 * @since   1.2
 */
public class ThreadLocal<T> {
    ...

​ 从Java官方文档中的描述：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和set方法访问）时能保证各个线程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上下文。

ThreadLocal 的作用是：提供线程内的局部变量，不同的线程之间不会相互干扰，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或组件之间一些公共变量传递的复杂度。

总结:
1. 线程并发: 在多线程并发的场景下
2. 传递数据: 我们可以通过ThreadLocal在同一线程，不同组件中传递公共变量
3. 线程隔离: 每个线程的变量都是独立的，不会相互影响

1.2 基本使用

1.2.1 常用方法

方法声明	描述
ThreadLocal()	创建ThreadLocal对象
public void set( T value)	设置当前线程绑定的局部变量
public T get()	获取当前线程绑定的局部变量
public void remove()	移除当前线程绑定的局部变量

1.2.2 使用案例

public class MyDemo {
    private String content;

    private String getContent() {
        return content;
    }

    private void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyDemo demo = new MyDemo();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
                    System.out.println("-----------------------");
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
                }
            });
            thread.setName("线程" + i);
            thread.start();
        }
    }
}

打印结果:

​ 从结果可以看出多个线程在访问同一个变量的时候出现的异常，线程间的数据没有隔离。下面我们来看下采用 ThreadLocal 的方式来解决这个问题的例子。

public class MyDemo {

    private static ThreadLocal<String> tl = new ThreadLocal<>();

    private String content;

    private String getContent() {
        return tl.get();
    }

    private void setContent(String content) {
         tl.set(content);
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyDemo demo = new MyDemo();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
                    System.out.println("-----------------------");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
                }
            });
            thread.setName("线程" + i);
            thread.start();
        }
    }
}

打印结果:

从结果来看，这样很好的解决了多线程之间数据隔离的问题，十分方便。

1.3 ThreadLocal类与synchronized关键字

1.3.1 synchronized同步方式

​ 我们完全可以通过加锁来实现这个功能。

public class Demo02 {
    
    private String content;

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo02 demo02 = new Demo02();
        
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread t = new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (Demo02.class){
                        demo02.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
                        System.out.println("-------------------------------------");
                        String content = demo02.getContent();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + content);
                    }
                }
            };
            t.setName("线程" + i);
            t.start();
        }
    }
}

打印结果:

​

​ 从结果可以发现, 加锁确实可以解决这个问题，但是在这里我们强调的是线程数据隔离的问题，并不是多线程共享数据的问题, 在这个案例中使用synchronized关键字是不合适的。

1.3.2 ThreadLocal与synchronized的区别

​ 虽然ThreadLocal模式与synchronized关键字都用于处理多线程并发访问变量的问题, 不过两者处理问题的角度和思路不同。

	synchronized	ThreadLocal
原理	同步机制采用’以时间换空间’的方式, 只提供了一份变量,让不同的线程排队访问	ThreadLocal采用’以空间换时间’的方式, 为每一个线程都提供了一份变量的副本,从而实现同时访问而相不干扰
侧重点	多个线程之间访问资源的同步性	多线程中让每个线程之间的数据相互隔离

总结： 虽然使用ThreadLocal和synchronized都能解决问题,但是使用ThreadLocal更为合适,因为这样可以使程序拥有更高的并发性。

2. 运用场景_事务案例

​ ThreadLocal具体的应用是在哪里呢？一个ThreadLocal的经典运用场景： 事务。

（1） JDBC中关于事务的操作的api

Connection接口的方法	作用
void setAutoCommit(false)	禁用事务自动提交（改为手动）
void commit();	提交事务
void rollback();	回滚事务

（2） 开启事务的注意点:

• 为了保证所有的操作在一个事务中,使用的连接必须是同一个: service层开启事务的connection需要跟dao层访问数据库的connection保持一致

• 线程并发情况下, 每个线程只能操作各自的 connection

2.2 常规解决方案

2.2.1 常规方案的实现

• 从service层将connection对象向dao层传递
• 加锁

2.2.2 常规方案的弊端

这样实现的弊端：

1. 直接从service层传递connection到dao层, 造成代码耦合度提高

2. 加锁会造成线程失去并发性，程序性能降低

2.3 ThreadLocal解决方案

2.3.1 ThreadLocal方案的实现

像这种需要在项目中进行数据传递和线程隔离的场景，我们不妨用ThreadLocal来解决，将获取到的Connection放入ThreadLocal中，后续相同线程获取的Connection肯定都是这个，不仅安全而且高效。

2.3.2 ThreadLocal方案的好处

从上述的案例中我们可以看到， 在一些特定场景下，ThreadLocal方案有两个突出的优势：

1. 传递数据 ： 保存每个线程绑定的数据，在需要的地方可以直接获取, 避免参数直接传递带来的代码耦合问题

2. 线程隔离 ： 各线程之间的数据相互隔离却又具备并发性，避免同步方式带来的性能损失

另外一个ThreadLocal的经典场景是token登录验证后获取用户信息，可以进此用户信息保存在ThreadLocal中。

3. ThreadLocal的内部结构

​ 下面看一下ThreadLocal的内部结构，探究它能够实现线程数据隔离的原理。

3.1 常见的误解

​ 通常，如果我们不去看源代码的话，我猜ThreadLocal是这样子设计的：每个ThreadLocal类都创建一个Map，然后用线程的ID threadID作为Map的key，要存储的局部变量作为Map的value，这样就能达到各个线程的局部变量隔离的效果。这是最简单的设计方法，JDK最早期的ThreadLocal就是这样设计的。

3.2 核心结构

​ 但是，JDK后面优化了设计方案，现时JDK8 ThreadLocal的设计是：每个Thread维护一个ThreadLocalMap哈希表，这个哈希表的key是ThreadLocal实例本身，value才是真正要存储的值Object。

​ （1） 每个Thread线程内部都有一个Map (ThreadLocalMap)
​ （2） Map里面存储ThreadLocal对象（key）和线程的变量副本（value）
​ （3）Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。
​ （4）对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

3.3 这样设计的好处

​ 这个设计与我们一开始说的设计刚好相反，这样设计有如下两个优势：

（1） 这样设计之后每个Map存储的Entry数量就会变少，因为之前的存储数量由Thread的数量决定，现在是由ThreadLocal的数量决定，一般情况下ThreadLocal的数量是远远小于线程数量的。

（2） 当Thread销毁之后，对应的ThreadLocalMap也会随之销毁，能减少内存的使用。

4. ThreadLocal的核心方法源码

​ 基于ThreadLocal的内部结构，我们继续探究一下ThreadLocal的核心方法源码，更深入的了解其操作原理。

除了构造之外， ThreadLocal对外暴露的方法有以下4个：

方法声明	描述
protected T initialValue()	返回当前线程局部变量的初始值
public void set( T value)	设置当前线程绑定的局部变量
public T get()	获取当前线程绑定的局部变量
public void remove()	移除当前线程绑定的局部变量

其实get，set和remove逻辑是比较相似的，我们要研究清楚其中一个，其他也就明白了。

4.1 get方法

（1 ) 源码和对应的中文注释

    /**
     * 返回当前线程中保存ThreadLocal的值
     * 如果当前线程没有此ThreadLocal变量，
     * 则它会通过调用{@link #initialValue} 方法进行初始化值
     *
     * @return 返回当前线程对应此ThreadLocal的值
     */
    public T get() {
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null) {
            // 以当前的ThreadLocal 为 key，调用getEntry获取对应的存储实体e
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            // 找到对应的存储实体 e 
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                // 获取存储实体 e 对应的 value值
                // 即为我们想要的当前线程对应此ThreadLocal的值
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        // 如果map不存在，则证明此线程没有维护的ThreadLocalMap对象
        // 调用setInitialValue进行初始化
        return setInitialValue();
    }

    /**
     * set的变样实现，用于初始化值initialValue，
     * 用于代替防止用户重写set()方法
     *
     * @return the initial value 初始化后的值
     */
    private T setInitialValue() {
        // 调用initialValue获取初始化的值
        T value = initialValue();
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null)
            // 存在则调用map.set设置此实体entry
            map.set(this, value);
        else
            // 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
            // 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
            // 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
            createMap(t, value);
        // 返回设置的值value
        return value;
    }

    /**
     * 获取当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     * 
     * @param  t the current thread 当前线程
     * @return the map 对应维护的ThreadLocalMap 
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }
    /**
     *创建当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     *
     * @param t 当前线程
     * @param firstValue 存放到map中第一个entry的值
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        //这里的this是调用此方法的threadLocal
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

（2 ) 代码执行流程

​ A. 首先获取当前线程

​ B. 根据当前线程获取一个Map

​ C. 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E

​ D. 如果e不为null，则返回e.value，否则转到E

​ E. 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

总结: 先获取当前线程的 ThreadLocalMap 变量，如果存在则返回值，不存在则创建并返回初始值。

4.2 set方法

（1 ) 源码和对应的中文注释

  /**
     * 设置当前线程对应的ThreadLocal的值
     *
     * @param value 将要保存在当前线程对应的ThreadLocal的值
     */
    public void set(T value) {
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null)
            // 存在则调用map.set设置此实体entry
            map.set(this, value);
        else
            // 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
            // 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
            // 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
            createMap(t, value);
    }

（2 ) 代码执行流程

​ A. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map

​ B. 如果获取的Map不为空，则将参数设置到Map中（当前ThreadLocal的引用作为key）

​ C. 如果Map为空，则给该线程创建 Map，并设置初始值

4.3 remove方法

（1 ) 源码和对应的中文注释

 /**
     * 删除当前线程中保存的ThreadLocal对应的实体entry
     */
     public void remove() {
        // 获取当前线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
        // 如果此map存在
         if (m != null)
            // 存在则调用map.remove
            // 以当前ThreadLocal为key删除对应的实体entry
             m.remove(this);
     }

（2 ) 代码执行流程

​ A. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map

​ B. 如果获取的Map不为空，则移除当前ThreadLocal对象对应的entry

4.4 initialValue方法

/**
  * 返回当前线程对应的ThreadLocal的初始值
  
  * 此方法的第一次调用发生在，当线程通过{@link #get}方法访问此线程的ThreadLocal值时
  * 除非线程先调用了 {@link #set}方法，在这种情况下，
  * {@code initialValue} 才不会被这个线程调用。
  * 通常情况下，每个线程最多调用一次这个方法。
  *
  * <p>这个方法仅仅简单的返回null {@code null};
  * 如果程序员想ThreadLocal线程局部变量有一个除null以外的初始值，
  * 必须通过子类继承{@code ThreadLocal} 的方式去重写此方法
  * 通常, 可以通过匿名内部类的方式实现
  *
  * @return 当前ThreadLocal的初始值
  */
protected T initialValue() {
    return null;
}

​ 此方法的作用是 返回该线程局部变量的初始值。

（1） 这个方法是一个延迟调用方法，从上面的代码我们得知，在set方法还未调用而先调用了get方法时才执行，并且仅执行1次。

（2）这个方法缺省实现直接返回一个null。

（3）如果想要一个除null之外的初始值，可以重写此方法。（备注： 该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的）

5. ThreadLocalMap源码分析

5.1 基本结构

​ ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也是独立实现。

（1） 成员变量

    /**
     * 初始容量 —— 必须是2的整次幂
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 存放数据的table，Entry类的定义在下面分析
     * 同样，数组长度必须是2的冥。
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * 数组里面entrys的个数，可以用于判断table当前使用量是否超过负因子。
     */
    private int size = 0;

    /**
     * 进行扩容的阈值，表使用量大于它的时候进行扩容。
     */
    private int threshold; // Default to 0
    
    /**
     * 阈值设置为长度的2/3
     */
    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

（2） 存储结构 - Entry

// 在ThreadLocalMap中，也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象，这点被Entry的构造方法已经限定死了
// 另外，Entry继承WeakReference,使用弱引用，可以将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑，持有对ThreadLocal的弱引用，可以使得ThreadLocal在没有其他强引用的时候被回收掉，这样可以避免因为线程得不到销毁导致ThreadLocal对象无法被回收

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

ThreadLocal内存泄露与Entry是WeakReference有关吗
假设使用强引用

假设使用弱引用

事实上，如果使用后remove方法被调用，强引用和弱引用都是可以的。使用弱引用在ThreadLocalRef断开的情况下，如果Entry没被删除，可以将ThrealLocal实例GC掉，多一层保障。在ThreadLocalMap的getEntry和setEntry方法中，会对key为null（即ThrealLocal=null）的对value也置为null。也就避免了内存泄露。但是我们还是需要记住，使用后一定要remove掉。

内存泄露的发生跟ThreadLocal中的Entry是否是弱引用无关，其真正的原因如下

1. 没有手动删除Entry
2. CurrentThread还在运行，Map作为Thread的一个成员，其生命周期和线程一样长
   由于Map作为Thread的一个成员，其生命周期和线程一样长，如果没有手动删除Entry，那么就会导致内存泄露。

5.2 hash冲突的解决

ThreadLocal使用的是自定义的ThreadLocalMap，接下来我们来探究一下ThreadLocalMap的hash冲突解决方式。

（1） 先回顾ThreadLocal的set() 方法

  public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocal.ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }
    
    ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

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

• 代码很简单，获取当前线程，并获取当前线程的ThreadLocalMap实例（从getMap(Thread t)中很容易看出来）。
• 如果获取到的map实例不为空，调用map.set()方法，否则调用构造函数 ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue)实例化map。

可以看出来线程中的ThreadLocalMap使用的是延迟初始化，在第一次调用get()或者set()方法的时候才会进行初始化。

（2） 下面来看看构造函数ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue)

 ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        //初始化table
        table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY];
        //计算索引
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        //设置值
        table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
        size = 1;
        //设置阈值
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }

主要说一下计算索引，firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1)。

• 关于& (INITIAL_CAPACITY - 1),这是取模的一种方式，对于2的幂作为模数取模，用此代替%(2^n)，这也就是为啥容量必须为2的冥，在这个地方也得到了解答。
• 关于firstKey.threadLocalHashCode：

 private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
    private static AtomicInteger nextHashCode =  new AtomicInteger();
            
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

​ 这里定义了一个AtomicInteger类型，每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT，HASH_INCREMENT = 0x61c88647,这个值和斐波那契散列有关（这是一种乘数散列法，只不过这个乘数比较特殊，是32位整型上限2^32-1乘以黄金分割比例0.618…的值2654435769，用有符号整型表示就是-1640531527，去掉符号后16进制表示为0x61c88647），其主要目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组里, 也就是Entry[] table中，这样做可以尽量避免hash冲突。

（3） ThreadLocalMap中的set()

​ ThreadLocalMap使用开发地址-线性探测法来解决哈希冲突，线性探测法的地址增量di = 1, 2, … 其中，i为探测次数。该方法一次探测下一个地址，直到有空的地址后插入，若整个空间都找不到空余的地址，则产生溢出。假设当前table长度为16，也就是说如果计算出来key的hash值为14，如果table[14]上已经有值，并且其key与当前key不一致，那么就发生了hash冲突，这个时候将14加1得到15，取table[15]进行判断，这个时候如果还是冲突会回到0，取table[0],以此类推，直到可以插入。

按照上面的描述，可以把table看成一个环形数组。

先看一下线性探测相关的代码，从中也可以看出来table实际是一个环：

    /**
     * 获取环形数组的下一个索引
     */
    private static int nextIndex(int i, int len) {
        return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
    }

    /**
     * 获取环形数组的上一个索引
     */
    private static int prevIndex(int i, int len) {
        return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
    }

ThreadLocalMap的set()代码如下：

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value
以上是关于ThreadLocal的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
 源代码系列02——ThreadLocal源码分析（基础篇）
 java中的ThreadLocal详解及示例代码
 ThreadLocal介绍
 MyBatis基础：使用java提供的ThreadLocal类优化代码
 Java 单线程代码ThreadLocal串值问题
 ThreadLocal