深入ThreadLocal的底层实现机制以及对应的使用风险

Posted 2020-11-23 windpoplar

学习Java中常用的开源框架，Mybatis、Hibernate中线程通过数据库连接对象Connection，对其数据进行操作，都会使用ThreadLocal类来保证Java多线程程序访问和数据库数据的一致性问题。就想深入了解一下ThreadLocal类是怎样确保线程安全的！详解如下：

一、对ThreadLocal类的大致了解

       ThreadLocal ，也叫线程本地变量，可能很多朋友都知道ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了所使用的的变量副本。使用起来都是在线程的本地工作内存中操作，并且提供了set和get方法来访问拷贝过来的变量副本。底层也是封装了ThreadLocalMap集合类来绑定当前线程和变量副本的关系，各个线程独立并且访问安全！

public class DBUtil {
    //创建一个存储数据库连接对象的ThreadLocal线程本地变量
    private static ThreadLocal<Connection> tl = new ThreadLocal<Connection>();
 
    static{
        try {
            //注册驱动
            DriverManager.registerDriver(new oracle.jdbc.OracleDriver());
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    /*
     * 获取数据库的连接对象
     */
    public static Connection getConnected(){
        Connection conn = null;
        conn = tl.get();        //第一步：从ThreadLocal对象当中去获取
        if(conn == null){        //若没有获取到，原始方法获取
            try {
                conn = DriverManager.getConnection("jdbc:oracle:thin:@192.168.122.1:1521/xe","store","store_password");
                //获取连接对象以后，都设置为默认手动提交
                conn.setAutoCommit(false);    
                //第二部：将连接对象放入对应的ThreadLocal泛型对象tl当中(进而绑定到使用它的线程对象上)
                tl.set(conn);
            } catch (SQLException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return conn;
    }
 
    /*
     * 关闭数据库的连接，并删除对应的ThreadLocal中的对象
     */
    public static void closeConnection(){
        Connection conn = null;
        conn = tl.get();        //第三步：使用完毕，再次获取对象
        if(conn != null){
            tl.remove();        //第四步：线程操作数据库完毕，移除
            try {
                conn.close();
            } catch (SQLException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

        上述例子中使用ThreadLocal类来绑定对应线程和Connection之间的关系，确保访问数据库数据的安全性问题；大家想象一下，如果没有使用ThreadLocal类来绑定，那么多个线程同时进入getConnected()方法，有可能获取的是同一个Connection对象，导致线程不安全问题！

二、深入理解ThreadLocal类

    （1）set操作，为线程绑定变量：    

 public void set(T value) {
    　　 Thread t = Thread.currentThread();//1.首先获取当前线程对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);//2.获取该线程对象的ThreadLocalMap
        if (map != null)
            map.set(this, value);//如果map不为空，执行set操作，以当前threadLocal对象为key，实际存储对象为value进行set操作
        else
            createMap(t, value);//如果map为空，则为该线程创建ThreadLocalMap
    }

可以很清楚的看到，ThreadLocal只不过是个入口，真正的变量副本绑定到当前线程上的。

    //Thread中的成员变量
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;        //每个Thread线程中都封装了一个ThreadLocalMap对象
        
    //ThreadLocal类中获取Thread类中的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
    }
        
    //ThreadLocal类中创建Thread类中的ThreadLocalMap成员对象
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

现在，我们可以看出ThreadLocal的设计思想了：

(1) ThreadLocal仅仅是个变量访问的入口；

(2) 每一个Thread对象都有一个ThreadLocalMap对象，这个ThreadLocalMap持有对象的引用；

(3) ThreadLocalMap以当前的threadLocal对象为key，以真正的存储对象为value。get()方法时通过threadLocal实例就可以找到绑定在当前线程上的副本对象。

看上去有点绕。我们完全可以设计成Map<Thread,Value>这种形式，一个线程对应一个存储对象。

ThreadLocal这样设计有两个目的：

        第一：可以保证当前线程结束时，相关对象可以立即被回收；第二：ThreadLocalMap元素会大大减少，因为Map过大容易造成哈希冲突而导致性能降低。

（2）看get()方法

 public T get() {
     　　 Thread t = Thread.currentThread();//1.首先获取当前线程
         ThreadLocalMap map = getMap(t);//2.获取线程的map对象
         if (map != null) {//3.如果map不为空，以threadlocal实例为key获取到对应Entry，然后从Entry中取出对象即可。
             ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
             if (e != null)
                 return (T)e.value;
         }
         return setInitialValue();//如果map为空，也就是第一次没有调用set直接get（或者调用过set，又调用了remove）时，为其设定初始值
     }

void createMap(Thread t, T firstValue) {    //this指的是ThreadLocal对象
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
        
private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
         map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
        return value;
}

三、应用场景：

        ThreadLocal对象通常用于防止对可变的单实例变量或全局变量进行共享。例如：由于JDBC的连接对象不是线程安全的，因此，当多个线程应用程序在没有协同的情况下，使用全局变量时，就是线程不安全的。通过将JDBC的连接对象保存到ThreadLocal中，每个线程都会拥有自己的连接对象副本。

        ThreadLocal在Spring的事物管理，包括Hibernate管理等都有出现，在web开发中，有事会用来管理用户会话HttpSession，web交互这种典型的一请求一线程的场景似乎比较适合使用ThreadLocal，但是需要注意的是，由于此时session与线程关联，而Tomcat这些web服务器多采用线程池机制，也就是说线程是可以复用的，所以在每次进入的时候都需要重新进行set操作，或者使用完毕以后及时remove掉！

 public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());        //先获取ThreadLocalMap对象实例
         if (m != null)        //直接通过threadLocal实例删除value值
             m.remove(this);
     }

  

ThreadLocal为什么会内存泄漏？

 

 

 

ThreadLocal的实现是这样的：每个Thread 维护一个 ThreadLocalMap 映射表，这个映射表的 key 是 ThreadLocal实例本身，value 是真正需要存储的 Object。
也就是说 ThreadLocal 本身并不存储值，它只是作为一个 key 来让线程从 ThreadLocalMap 获取 value。
值得注意的是图中的虚线，表示 ThreadLocalMap 是使用 ThreadLocal 的弱引用作为 Key 的，弱引用的对象在 GC 时会被回收。

ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，那么系统 GC 的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value永远无法回收，造成内存泄漏。

ThreadLocal如何防止内存泄漏？

每次使用完ThreadLocal，都调用它的remove()方法，清除数据。
在使用线程池的情况下，没有及时清理ThreadLocal，不仅是内存泄漏的问题，更严重的是可能导致业务逻辑出现问题。所以，使用ThreadLocal就跟加锁完要解锁一样，用完就需要清理。