ThreadLocal必知必会

Posted 2021-02-17 zzq6032010

前言

自从被各大互联网公司的"造火箭"级面试难度吊打之后，痛定思痛，遂收拾心神，从基础的知识点开始展开地毯式学习。每一个非天才程序猿都有一个对35岁的恐惧，而消除恐惧最好的方式就是面对它、看清它、乃至跨过它，学习就是这个世界给普通人提供的一把成长型武器，掌握了它，便能与粗暴的生活一战。

最近看了好几篇有关ThreadLocal的面试题和技术博客，下面结合源码自己做一个总结，以方便后面的自我回顾。

本文重点：

1、ThreadLocal如何发挥作用的？

2、ThreadLocal设计的巧妙之处

3、ThreadLocal内存泄露问题

4、如何让新线程继承原线程的ThreadLocal？

下面开始正文。

一、ThreadLocal如何发挥作用的？

首先来一段本地demo，工作中用的时候也是类似的套路，先声明一个ThreadLocal，然后调用它的set方法将特定对象存入，不过用完之后一定别忘了加remove，此处是一个错误的示范...

 1 public class ThreadLocalDemo {
 2 
 3     private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();
 4 
 5     public static void main(String[] args) {
 6         threadLocal.set("main thread");
 7         new Thread(() -> {
 8             threadLocal.set("thread");
 9         }).start();
10     }
11 }

追踪一下set方法：

1     public void set(T value) {
2         Thread t = Thread.currentThread();
3         ThreadLocalMap map = getMap(t); // 1、得到map
4         if (map != null)
5             map.set(this, value); // 2、放入value
6         else
7             createMap(t, value); // 3、初始化map
8     }

在threadLocal的set方法中有三个主要方法，第一个方法是去当前线程的threadLocals中获取map，该map是Thread类的一个成员变量。

 

 如果线程是新建出来的，threadLocals这个值肯定是null，此时会进入方法3 createMap中（如下）新建一个ThreadLocalMap，存入当前的ThreadLocal对象和value。

1 void createMap(Thread t, T firstValue) {
2         t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
3     }

相对而言最复杂的是方法2 map.set()方法，如下，该方法代码位于ThreadLocal的内部类ThreadLocalMap中。

 1 private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
 2 
 3             // We don‘t use a fast path as with get() because it is at
 4             // least as common to use set() to create new entries as
 5             // it is to replace existing ones, in which case, a fast
 6             // path would fail more often than not.
 7 
 8             Entry[] tab = table;
 9             int len = tab.length;
10             int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); // 1、获取要存放的key的数组下标
11 
12             for (Entry e = tab[i];
13                  e != null;
14                  e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { ///2、如果下标所在位置是空的，则直接跳过此for循环，不为空则进入内部判断逻辑，否则往下移动数组指针 ***
15                 ThreadLocal<?> k = e.get();
16                 // 2.1 如果不是空，则判断key是不是原数组下标处Entry对象的key，是的话直接替换value即可
17                 if (k == key) {
18                     e.value = value;
19                     return;
20                 }
21                 // 2.2 如果数组下标处的Entry的key是null，说明弱引用已经被回收，此时也替换掉value ***
22                 if (k == null) {
23                     replaceStaleEntry(key, value, i);
24                     return;
25                 }
26             }
27             // 3、说明数组中i所在位置是空的，直接new一个Entry赋值
28             tab[i] = new Entry(key, value);
29             int sz = ++size;
30             if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) // 4、清理掉一些无用的数据 ***
31                 rehash();
32         }

该方法加了注释，重要的地方均用 *** 标识了出来，虽然可能无法清楚每一步的用意与原理，但大体做了什么都能知道---在此方法中完成了value对象的存储。

写到这里的时候，BZ的思维也不清晰了，赶紧画个图清醒下：

 

 完成set操作后，当前线程、threadLocal变量、ThreadLocal对象、ThreadLocalMap之间的关系基本梳理出来了。

插播一个扩展，补充一下引用相关的知识。Java中的强引用是除非代码主动修改或者持有引用的变量被清理，否则该引用指向的对象一定不会被垃圾回收器回收；软引用是只要JVM内存空间够用，就不会对该引用指向的对象进行垃圾回收；而弱引用是只要进行垃圾回收时该对象只有弱引用，则就会被回收。

Entry类的弱引用实现如下所示：

1 static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
2             /** The value associated with this ThreadLocal. */
3             Object value;
4 
5             Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
6                 super(k);
7                 value = v;
8             }
9         }

下面开始填坑。

 

二、ThreadLocal设计的巧妙之处

上面ThreadLocalMap.set方法的代码中，标识了三颗星的第二步有什么意义？

 答：找到第一个未被占的下标位置。ThreadLocalMap中的Entry[]数组是一个环状结构，通过nextIndex方法即可证明，当i+1比len大的时候，返回0即初始位置。当出现hash冲突时，HashMap是通过在下标位置串接链表来存放数据，而ThreadLocalMap不会有那么大的访问量，所以采用了更加轻便的解决hash冲突的方式-往后移一个位置，看看是不是空的，不是空的则继续往后移，直到找到空的位置。

1 private static int nextIndex(int i, int len) {
2             return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
3         }

 

为什么编写JDK代码的大佬们要将Entry的key设置为弱引用？标识了三颗星的2.2步为什么key会是null？

答：key设置为弱引用是为了当threadLocal被清理之后堆中的ThreadLocal对象也能被清理掉，避免ThreadLocal对象带来的内存泄露。这也是key是null的原因-当只有key这个弱引用指向ThreadLocal对象时，发生一次垃圾回收就会将该ThreadLocal回收了。但这种方式没法完全避免内存泄露，因为回看之前的内存分布图，key指向的对象虽然被释放了内存，但是value还在啊，而且由于这个value对应的key是null，也就不会有地方使用这个value，完蛋，内存释放不了了。

这时2.2的逻辑就发挥一部分作用了，如果当前i下标的key是null，说明已经被回收了，那么直接把这个位置占用就行了，反正已经没人用了。

 

标识了三颗星的第四步 cleanSomeSlots方法的职责是什么？

 答：该方法用于清除部分key为null的Entry对象。为什么是清除部分呢？且看方法实现：

 1 private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
 2             boolean removed = false;
 3             Entry[] tab = table;
 4             int len = tab.length;
 5             do {
 6                 i = nextIndex(i, len);
 7                 Entry e = tab[i];
 8                 if (e != null && e.get() == null) {
 9                     n = len;
10                     removed = true;
11                     i = expungeStaleEntry(i);
12                 }
13             } while ( (n >>>= 1) != 0);
14             return removed;
15         }

在do/while循环中，每次循环给n右移一位（传入的n是数组中存放的数据个数），如果遇到一个key为null的情况， 说明数组中可能存在多个这种对象，所以将n置为整个数组的长度，多循环几次，并且调用了expungeStaleEntry方法将key为null的value引用去掉。cleanSomeSlots方法没有采用完全循环遍历的方式，主要出于方法执行效率的考量。

下面再详细说说expungeStaleEntry方法的逻辑，该方法专门用于清除key为null的这种过期数据，而且还附带一个作用：将之前因为hash冲突导致下标后移的对象收缩紧凑一些，提高遍历查询效率。

 1 private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
 2             Entry[] tab = table;
 3             int len = tab.length;
 4             // 1、清除入参所在下标的value
 5             // expunge entry at staleSlot
 6             tab[staleSlot].value = null;
 7             tab[staleSlot] = null;
 8             size--;
 9             // 2、从入参下标开始往后遍历，一直遍历到tab[i]等于null的位置停止
10             // Rehash until we encounter null
11             Entry e;
12             int i;
13             for (i = nextIndex(staleSlot, len);
14                  (e = tab[i]) != null;
15                  i = nextIndex(i, len)) {
16                 ThreadLocal<?> k = e.get();
17                 if (k == null) { // 2.1 如果key为null，找的就是这种浑水摸鱼的，必除之而后快
18                     e.value = null;
19                     tab[i] = null;
20                     size--;
21                 } else {
22                     int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
23                     if (h != i) { // 2.2 h即当前这个entry的key应该在的下标位置，如果跟i不同，说明这个entry是发生下标冲突后移过来的
24                         tab[i] = null; // 此时要将现在处于i位置的e移到h位置，故先将tab[i]置为null，在后面再将tab[i]位置的e存入h位置
25 
26                         // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
27                         // null because multiple entries could have been stale.
28                         while (tab[h] != null) // 2.3 这里通过while循环来找到h以及后面第一个为null的下标位置，这个位置就是存放e的位置
29                             h = nextIndex(h, len);
30                         tab[h] = e;
31                     }
32                 }
33             }
34             return i;
35         }

 

为什么存放线程相关的变量要这样设计？为何不能在ThreadLocal中定义一个Map的成员变量，key就是线程，value就是要存放的对象，这样设计岂不是更简洁易懂？

答：这样设计能做到访问效率和空间占用的最优。先看访问效率，如果采用平常思维的方式用一个公共Map来存放key-value，则当多线程访问的时候肯定会有访问冲突，即使使用ConcurrentHashMap也同样会有锁竞争带来的性能消耗，而现在这种将map存入Thread中的设计，则保证了一个线程只能访问自己的map，并且是单线程肯定不会有线程安全问题，简直不要太爽。

 

三、ThreadLocal内存泄露问题

文章开头的示例中，用static修饰了ThreadLocal，这样做是否必要？有什么作用？

答：用static修饰ThreadLocal变量，使得在整个线程执行过程中，Map中的key不会被回收（因为有一个静态变量的强引用在引用着呢），所以想什么时候取就什么时候取，而且从头到尾都是同一个threadLocal变量（再new一个除外），存入map中时也只占用一个下标位置，不会出现不可控的内存占用超限。由此可见，设置为static并不是完全必要，但作用是有的。

ThreadLocal中针对key为null的情况，在好几处用不同的姿势进行清除，就是为了避免内存泄漏，这样是否能完全避免内存泄漏？若不能，如何做才能完全避免？

答：能最大程度的避免内存泄漏，但不能完全避免。线程执行完了就会将ThreadLocalMap内存释放，但如果是线程池中的线程，一直重复利用，那么它的Map中的value数据就可能越攒越多得不到释放引起内存泄露。如何避免？用完后在finally中调一下remove方法吧，前辈大佬们都给写好了的方法，且用即可。

 

另外，threadLocal变量不能是局部变量，因为key是弱引用，如果设置成局部变量，则方法执行完之后强引用清除只剩弱引用，就可能被释放掉，key变为null，这样也就背离了ThreadLocal在同一个线程经过多个方法时共享同一个变量的设计初衷。

 

四、如何让新线程继承原线程的ThreadLocal？

 答：new一个InheritableThreadLocal对象set数据即可，这时会存入当前Thread的成员变量 inheritableThreadLocals中。当在当前线程中new一个新线程时，在新线程的init方法中会将当前线程的inheritableThreadLocals存入新线程中，完成数据的继承。

 

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New Thread(Pipe River)： ...