ThreadLocal 应用原理解析与常见问题

Posted 2020-11-16 dreamowneryong

ThreadLocal是大家比较常用到的，在多线程下存储线程相关数据十分合适。可是很多时候我们并没有深入去了解它的原理。

首选提出几个问题，稍后再针对这些问题一一解答。

1. 提到ThreadLocal，大家常说ThreadLocal是弱引用，那么ThreadLocal究竟是如何实现弱引用的呢？
2. ThreadLocal是如何做到可以当做线程局部变量的呢？
3. 大家创建ThreadLocal变量时，为什么都要用static修饰？
4. 大家争论不止的ThreadLocal内存泄漏是什么鬼？

进入正题，先简单了解下ThreadLocal 和 Thread，ThreadLocal的类结构：

 

 可以看到，ThreadLocal有个内部类ThreadLocalMap，ThreadLocalMap又有个内部类Entry。

Thread类有这样一段源码：

class Thread implements Runnable {

    ...省略若干代码

    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    /*
     * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
     * maintained by the InheritableThreadLocal class.
     */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

 

 通过Thread源码我们了解到，Thread持有的对象是ThreadLocal的ThreadLocalMap，这一点特别重要，线程相关数据都是通过ThreadLocalMap存储的，而不是ThreadLocal。

此时我们得到的结论如下图所示：

Thread的threadLocals属性直接关联的ThreadLocal.ThreadLocalMap，和ThreadLocal没有丝毫关系

 

那么ThreadLocal是做什么的呢？其实ThreadLocal可以看做线程操作ThreadLocalMap的工具类，ThreadLocal暴漏了两个公共方法get()和set(T)用来获取和设置ThreadLocalMap。

了解一下set方法源码：

 

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

 

 

 

 

 

 

 从源码第五行我们可以得到两个重要的信息：

• 获取ThreadLocalMap时，使用了当前Thread对象 t 作为参数。

　　　　getMap(t）方法的实现很简单：

　　　　　　

    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

 

　　　　它返回的是Thread的 threadLocals 属性，代码上验证了：“线程局部变量”是存储在Thread对象的threadLocals属性中，和 ThreadLocal 本身没什么关系。ThreadLocal 可以当做访问的工具类。

　　　　这里我们第2个问题：ThreadLocal是如何做到可以当做线程局部变量的已经有答案啦，所有的操作其实都是对Thread 下 threadLocals 的操作，所以跨线程操作也不会产生问题的，因为getMap()永远返回当前线程的threadLocals属性。

 

• ThreadLocalMap是一个类似Map键值对的结构，此处传入的key是固定值this，这个this不是线程对象哟，是当前的ThreadLocal对象，value即我们传入的参数。

　　　　小伙伴们是不是很奇怪为什么要把this当做key呢？这就扯到我们文章开头的第一个问题了：弱引用！

　　　　跟进map.set(this, value);源码一看究竟：

 1         private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
 2 
 3             Entry[] tab = table;
 4             int len = tab.length;
 5             int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
 6 
 7             for (Entry e = tab[i];
 8                  e != null;
 9                  e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
10                 ThreadLocal<?> k = e.get();
11 
12                 if (k == key) {
13                     e.value = value;
14                     return;
15                 }
16 
17                 if (k == null) {
18                     replaceStaleEntry(key, value, i);
19                     return;
20                 }
21             }
22 
23             tab[i] = new Entry(key, value);
24             int sz = ++size;
25             if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
26                 rehash();
27         }

 

　　查看23行Entry的构造方法：

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         }

 

　　　　Entry只有一个构造方法，该构造方法接受两个参数k和v，k就是当前ThreadLocal对象，v是我要存储的线程相关数据。通过上述代码标红部分我们可以了解到对 k 使用了弱引用，但是value不是，value是强引用。至此第一个问题已经真相了，大家所说的ThreadLocal弱引用其实是ThreadLocalMap和ThreadLocal是弱引用关系。

　　　　为什么要这么设计呢？

　　　　首选我们整理下当前引用关系如下图：

　　　　

 

 

 　　　　value一般是线程相关的数据，线程回收后value -> null，强引用就不存在了。但是ThreadLocal对象的生命周期不一定和线程相关，可能线程消亡后ThreadLocal对象仍然被其它线程引用，如果使用强引用的话，ThreadLocalMap对象就无法释放内存，发生内存泄漏的情况。使用弱引用就安全的多了，发生gc时弱引用指向的对象会被内存回收。

 

问题1和2已经在上文中提到，继续看问题3，创建ThreadLocal对象时为什么要用static修饰呢？

　　个人感觉是基于两点的考虑：

• 第一是避免重复创建ThreadLocal对象，使用同一个ThreadLocal对象和多个ThreadLocal对象对代码本身没什么影响，实在没必要重复创建多个对象。
• 延长ThreadLocal的生命周期，方便使用。

 　　网上很多地方把static和内存泄漏联系起来，原谅我没看出来这两者有什么关系。

　　　　

最后来到第四个问题，也大家都关心的内存泄漏啦，。

　　通过上面的引用关系图我们了解到存在两个引用关系，分别是key的弱引用和value的强引用。弱引用首选不可能导致内存泄漏，因为gc发生时弱引用的对象就有可能被回收了。所以。。。内存泄漏发生在强引用这个关系上。

　　因为现在线程切换的开销比较大，大家现在普遍使用线程池的技术去避免线程的频繁创建。在线程池中，线程不会消亡，会被重复使用，so。。。。上边的强引用得不到释放了，内存泄漏就这样发生了。其实我在JDK8上看到的是java已经为此做了一些工作了，比如执行下次set操作时遍历key是null的Entry对象并释放value的引用。虽然java本身做了一些工作，仍然强烈建议使用完ThreadLocal执行remove方法主动消除引用关系。

　　文章结束了，如有纰漏，欢迎指出。