JavaSe：ThreadLocal

Posted 2020-07-23

      JDK中有一个ThreadLocal类，使用很方便，但是却很容易出现问题。究其原因， 就是对ThreadLocal理解不到位。最近项目中，出现了内存泄漏的问题。其中就有同事在使用ThreadLocal时，没有用好。所以特写下此文。

 

• ThreadLocal的设计
• ThreadLocalMap、ThreadLocal说明
• 使用ThreadLocal后的内存模型
• 如何正确的使用ThreadLocal
• 错误的使用ThreadLocal会造成内存泄漏

 

 

 

ThreadLocal设计

ThreadLocal的类图：

 

·每个Thread都有一个自己的ThreadLocalMap，默认是null。当线程运行过程中，首次使用某个ThreadLocal对象时，会初始化这个ThreadLocalMap。

·ThreadLocalMap中包括一个Entry数组。我们在程序中是不能直接使用ThreadLocalMap的。在每次使用ThreadLocal时(set,get,remove)，都会自动的使用ThreadLocalMap，进行一定的清理工作。参见方法expungeStaleEntry。

·Entry继承了WeakReference，Key是ThreadLocal对象，Value时目标对象。并且key是被Weak Reference的。所以如果一个ThreadLocal对象TL1被GC后，也就是key是null。

·每个ThreadLocal对象都有一个initValue。在继承ThreadLocal类时，可以对它的initialValue()进行重写。ThreadLocal对外提供了3个常用方法：get,set,remove。

 

此外，当线程被kill(通过interrupe，或者线程自然结束)时，ThreadLocalMap会被设置为null,那么Map中的各个变量也会被回收（如果不被其它变量引用的话）。

 

ThreadLocalMap、ThreadLocal说明

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap中的expungeStaleEntry(int)方法的可能被调用的处理有：

 

通过这个图，不难看出这个方法在ThreadLocal的set,get,remove时都会被调用。

 

从该方法代码中，可以看出是先清理指定的Entry，再遍历，如果发现有Entry的key是null，清理之。Key =null，也就是ThreadLocal对象是null。所以当程序中，将ThreadLocal对象设置为null,在该线程继续执行时，如果执行另一个ThreadLocal时，就会触发该方法。就有可能清理掉key是null的那个ThreadLocal对应的值。

 

 

ThreadLocal方法说明：

set() 将目标对象作为当前线程的局部变量的值设置。也就是说，变量名是ThreadLocal对象，变量值是目标对象。

get()，从当前对象中取出ThreadLocal变量的值。如果map中不并在该ThreadLocal变量，就会自动调用initialValue方法。并将该值设置到map中。

remove()，从当前线程中移除ThreadLocal变量的值。此时key,value都不存在map中。

 

使用ThreadLocal后的内存模型

 

假设程序中指定2个ThreadLocal的变量TL1、TL2，并且他们都是static时。

 

private static ThreadLocal<ClassB> TL1 =  new ThreadLocal<ClassB>();
private static ThreadLocal<ClassA> TL2 =  new ThreadLocal<ClassA>();

 在运行时有2个线程，每个线程中都设置了这两个线程局部变量TL1,TL2。那么内存模型将是这样的：

 

在线程Thread1执行过程中，如果执行顺序是这样的：

 

TL1.set(ObjB1);  //将TL1作为变量名，OBjB1作为变量值设置到Thread1中。
TL1.get();        //从当前线程Thread1中取出变量TL1的值。它的值应该是OBjB1
TL2.set(ObjA1);  //将TL2作为变量名，OBjA1作为变量值设置到Thread1中。
TL2.get();        //从当前线程Thread1中取出变量TL1的值。它的值应该是OBjA1

当执行remove时，应会将该值从ThreadLocalMap中移出。 

 

 

 

如何正确使用ThreadLocal呢?

在说如何正确使用之前，先来看一个例子：

package com.fjn.jdk.thread_concurrent.threadlocal;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

import org.junit.Test;

public class ThreadLocalTest {
    
    @Test
    public void testUsingThreadPool() {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        int workerThreadNumber =10; 
        CountDownLatch countDowner = new CountDownLatch(workerThreadNumber); 
        for (int i = 0; i < workerThreadNumber; i++) {
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                // clear interrupted flag
                Thread.interrupted();
            }
            executor.submit(new Task(countDowner));
        }
        
        try {
            countDowner.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        executor.shutdownNow();
    }
}

class NamedThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
    private String name;

    public NamedThreadLocal(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String toString() {
        return "The thread local [" + name + "] is " + this.get();
    }
}

class BusService {
    private CooperationService cooperateService = CooperationService.getService();
    
    public void doService(String str) {

        try {
            cooperateService.recordStartTime();
            Thread.sleep(500);
            doSomething(str);
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException ex) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            cooperateService.clear();
// 此时ThreadLocalMap中已不存在该变量。
        }
        
        
        // 正常情况下是不能要这一行代码的：
        // 因为这样做又会重新在ThreadLocalMap中添加一个ThreadLocal变量，并设置值为initailValue
        System.out.println(cooperateService.getStartTime());
    }

    private void doSomething(String str) {
        System.out.println(" do something beging ...");
        System.out.println("start time is : " + cooperateService.getStartTime());
        System.out.println(str);
        System.out.println(" do something end ...");
    }
}

class CooperationService {
    private static CooperationService ins = new CooperationService();
    private static ThreadLocal<Long> threadLocal = new NamedThreadLocal<Long>("Test") {
        protected Long initialValue() {
            return -1l;
        };
    };
    
    private CooperationService(){
        
    }
    
    public static CooperationService getService(){
        return ins;
    } 

    public void recordStartTime() {
        long now = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("record start time : " + now);
        threadLocal.set(now);
    }

    public Long getStartTime() {
        return threadLocal.get();
    }

    public void clear() {
        threadLocal.remove();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private final CountDownLatch countDownLatch;

    public Task(CountDownLatch countDowner) {
        this.countDownLatch = countDowner;
    }

    @Override
    public void run() {
        BusService service = new BusService();
        service.doService("hello");
        if (countDownLatch != null) {
            countDownLatch.countDown();
        }
    }

}

 

上面的例子中，使用线程池执行一个Task。Task的内容是调用相关的业务服务，在业务处理过程中，会先记录下业务处理的开始时间，处理过程中可能会使用到这个开始时间，譬如说要将开始处理时间记录到DataBase中。在用完之后，线程要完成任务之前，调用remove将该变量从线程中移出。 

 

在调用ThreadLocal方法get,set,remove时，正确的姿势应该是：

TL1.set(obj);

Try{
     // . . .
     TL1.get();
     // . . . 
}
Finally{
     TL1.remove();
}

 

那么ThreaLocal变量该如何声明呢？

 

要分为下面几个使用场景了：

1）如果ThreadLocal可以完全在一个方法中使用，不会到另一个方法中使用该ThreadLocal对象。对于这种情况：ThreadLocal完全可以作为该方法的局部变量。例如：

Class Hello {

     public void hello  () {
          // . . .
          ThreadLocal<Long> tl  = new ThreadLocal<Long>();
          tl.set(obj);
          // . . .
          tl.remove();
     }

}

但这种情况毕竟是少数，因为在这种情况下，完全可以不用ThreadLocal的。

 

2）如果ThreadLocal是在同一个类中的不同方法中使用，可以将ThreadLocal作为该类的字段。

public class Hello {
[static] ThreadLocal<Long> tl = new ThreadLocal<Long>();

public void method1(){
      //  . . .
      tl1.set();
      // . . .
   
      
method2();
}


private void method2(){
     tl.get();
   // . . .   
    tl.remove();
}
}

这种情况用的相对来说，会多一些。在这种情况下，通常建议的做法是将ThreadLocal声明为static的，但也不是必须的。

 

3）ThreadLocal要跨类使用，一种方案是将ThreadLocal设置为public static的。另一种方案是像上面的例子一样。

 

错误使用ThreadLocal造成内存泄漏

 

实际使用过程中，大家很少会去使用ThreadLocal.remove()方法。另外，还有人会用ThreadLocal来做cache，那就更不可能去使用remove方法了。

 

前面提到，当线程结束时，ThreadLocalMap也会被自动清理，ThreadLocalMap中的对象如果没有其它的引用，就会被GC掉，这样就不会发生内存泄漏了。

 

如果线程A没有结束，某个ThreadLocalA对象如果被设置为null，线程A再次执行时，如果还使用到其它的ThreadLocalB。ThreadLocalA关联到的对象也会从ThreadLocalMap中移出。这样也可以避免内存泄漏。

 

如果线程A没有结束，某个ThreadLocalA对象如果被设置为null，线程A再次使用时，如果是执行的其它的任务，没有使用到任何的ThreadLocal，那么就会造成内存泄漏。

 

在使用ThreadLocal时，理解它很重要，更要知道怎么用它。