Java面试题必备知识之ThreadLocal

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老套路，先列举下关于 ThreadLocal 常见的疑问，希望可以通过这篇学习笔记来解决这几个问题：

  1. ThreadLocal 是用来解决什么问题的？
  2. 如何使用 ThreadLocal？
  3. ThreadLocal 的实现原理是什么？
  4. 可否举几个实际项目中使用 ThreadLocal 的案例？

基础知识

ThreadLocal 是线程局部变量，和普通变量的不同在于：每个线程持有这个变量的一个副本，可以独立修改（set 方法）和访问（get 方法）这个变量，并且线程之间不会发生冲突。

类中定义的 ThreadLocal 实例一般会被 private static 修饰，这样可以让 ThreadLocal 实例的状态和 Thread 绑定在一起，业务上，一般用 ThreadLocal 包装一些业务 ID（user ID 或事务 ID）——不同的线程使用的 ID 是不相同的。

如何使用

case1

从某个角度来看，ThreadLocal 为 Java 并发编程提供了额外的思路——避免并发，如果某个对象本身是非线程安全的，但是你想实现多线程同步访问的效果，例如 SimpleDateFormat，你可以使用 ThreadLocal 变量。

public class Foo
{
    // SimpleDateFormat is not thread-safe, so give one to each thread
    private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> formatter = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>(){
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue()
        {return new SimpleDateFormat("yyyyMMdd HHmm");
        }
    };

    public String formatIt(Date date)
    {return formatter.get().format(date);
    }
}

注意，这里针对每个线程只需要初始化一次 SimpleDateFormat 对象，其实跟在自定义线程中定义一个 SimpleDateFormat 成员变量，并在线程初始化的时候 new 这个对象，效果是一样的，只是这样看起来代码更规整。

case2

之前在 yunos 做酷盘项目的数据迁移时，我们需要按照用户维度去加锁，每个线程在处理迁移之前，都需要先获取当前用户的锁，每个锁的 key 是带着用户信息的，因此也可以使用 ThreadLocal 变量实现：

case3

下面这个例子，我们定义了一个 MyRunnable 对象，这个 MyRunnable 对象会被线程 1 和线程 2 使用，但是通过内部的 ThreadLocal 变量，每个线程访问到的整数都是自己单独的一份。

package org.java.learn.concurrent.threadlocal;

/**
 * @author duqi
 * @createTime 2018-12-29 23:25
 **/
public class ThreadLocalExample {
    public static class MyRunnable implements Runnable {

        private ThreadLocal<Integer> threadLocal =
                new ThreadLocal<Integer>();

        @Override
        public void run() {threadLocal.set((int) (Math.random() * 100D));

            try {Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) { }

            System.out.println(threadLocal.get());
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyRunnable sharedRunnableInstance = new MyRunnable();

        Thread thread1 = new Thread(sharedRunnableInstance);
        Thread thread2 = new Thread(sharedRunnableInstance);

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join(); //wait for thread 1 to terminate
        thread2.join(); //wait for thread 2 to terminate}
}

ThreadLocal 关键知识点

源码分析

ThreadLocal 是如何被线程使用的？原理如下图所示：Thread 引用和 ThreadLocal 引用都在栈上，Thread 引用会引用一个 ThreadLocalMap 对象，这个 map 中的 key 是 ThreadLocal 对象（使用 WeakReference 包装），value 是业务上变量的值。

首先看 java.lang.Thread 中的代码：

public
class Thread implements Runnable {
    //...... 其他源码
    /* 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;
    //...... 其他源码

Thread 中的 threadLocals 变量指向的是一个 map，这个 map 就是 ThreadLocal.ThreadLocalMap，里面存放的是跟当前线程绑定的 ThreadLocal 变量；inheritableThreadLocals 的作用相同，里面也是存放的 ThreadLocal 变量，但是存放的是从当前线程的父线程继承过来的 ThreadLocal 变量。

在看 java.lang.ThreadLocal 类，主要的成员和接口如下：

  1. withInitial 方法，Java 8 以后用于初始化 ThreadLocal 的一种方法，在外部调用 get()方法的时候，会通过 Supplier 确定变量的初始值；

    public static <S> ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supplier) {return new SuppliedThreadLocal<>(supplier);
}

  2. get 方法，获取当前线程的变量副本，如果当前线程还没有创建该变量的副本，则需要通过调用 initialValue 方法来设置初始值；get 方法的源代码如下，首先通过当前线程获取当前线程对应的 map，如果 map 不为空，则从 map 中取出对应的 Entry，然后取出对应的值；如果 map 为空，则调用 setInitialValue 设置初始值；如果 map 不为空，当前 ThreadLocal 实例对应的 Entry 为空，则也需要设置初始值。

    public T get() {Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();}

  3. set 方法，跟 get 方法一样，先获取当前线程对应的 map，如果 map 为空，则调用 createMap 创建 map，否则将变量的值放入 map——key 为当前这个 ThreadLocal 对象，value 为变量的值。

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

  4. remove 方法，删除当前线程绑定的这个副本

         public void remove() {ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
     }
  5. 数字 0x61c88647，这个值是 HASH_INCREMENT 的值，普通的 hashmap 是使用链表来处理冲突的，但是 ThreadLocalMap 是使用线性探测法来处理冲突的，HASH_INCREMENT 就是每次增加的步长，根据参考资料 1 所说，选择这个数字是为了让冲突概率最小。
    /**
     * The difference between successively generated hash codes - turns
     * implicit sequential thread-local IDs into near-optimally spread
     * multiplicative hash values for power-of-two-sized tables.
     */
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

父子进程数据共享

InheritableThreadLocal 主要用于子线程创建时，需要自动继承父线程的 ThreadLocal 变量，实现子线程访问父线程的 threadlocal 变量。InheritableThreadLocal 继承了 ThreadLocal，并重写了 childValue、getMap、createMap 三个方法。

public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
    /**
     * 创建线程的时候，如果需要继承且父线程中 Thread-Local 变量，则需要将父线程中的 ThreadLocal 变量一次拷贝过来。*/
    protected T childValue(T parentValue) {return parentValue;}

    /**
    * 由于重写了 getMap，所以在操作 InheritableThreadLocal 变量的时候，将只操作 Thread 类中的 inheritableThreadLocals 变量，与 threadLocals 变量没有关系
    **/
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {return t.inheritableThreadLocals;}

    /**
     * 跟 getMap 类似，set 或 getInheritableThreadLocal 变量的时候，将只操作 Thread 类中的 inheritableThreadLocals 变量
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
}

关于 childValue 多说两句，拷贝是如何发生的？
首先看 Thread.init 方法，

    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize, AccessControlContext acc, boolean inheritThreadLocals) {
        // 其他源码
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
        /* Stash the specified stack size in case the VM cares */
        this.stackSize = stackSize;

        /* Set thread ID */
        tid = nextThreadID();}

然后看 ThreadLocal.createInheritedMap 方法，最终会调用到 newThreadLocalMap 方法，这里 InheritableThreadLocal 对 childValue 做了重写，可以看出，这里确实是将父线程关联的 ThreadLocalMap 中的内容依次拷贝到子线程的 ThreadLocalMap 中了。

       private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {Entry[] parentTable = parentMap.table;
            int len = parentTable.length;
            setThreshold(len);
            table = new Entry[len];

            for (int j = 0; j < len; j++) {Entry e = parentTable[j];
                if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")
                    ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
                    if (key != null) {Object value = key.childValue(e.value);
                        Entry c = new Entry(key, value);
                        int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
                        while (table[h] != null)
                            h = nextIndex(h, len);
                        table[h] = c;
                        size++;
                    }
                }
            }
        }

ThreadLocal 对象何时被回收？

ThreadLocalMap 中的 key 是 ThreadLocal 对象，然后 ThreadLocal 对象时被 WeakReference 包装的，这样当没有强引用指向该 ThreadLocal 对象之后，或者说 Map 中的 ThreadLocal 对象被判定为弱引用可达时，就会在垃圾收集中被回收掉。看下 Entry 的定义：

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

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

ThreadLocal 和线程池一起使用？

ThreadLocal 对象的生命周期跟线程的生命周期一样长，那么如果将 ThreadLocal 对象和线程池一起使用，就可能会遇到这种情况：一个线程的 ThreadLocal 对象会和其他线程的 ThreadLocal 对象串掉，一般不建议将两者一起使用。

案例学习

Dubbo 中对 ThreadLocal 的使用

我从 Dubbo 中找到了 ThreadLocal 的例子，它主要是用在请求缓存的场景，具体代码如下：

@Activate(group = {Constants.CONSUMER, Constants.PROVIDER}, value = Constants.CACHE_KEY)
public class CacheFilter implements Filter {

    private CacheFactory cacheFactory;

    public void setCacheFactory(CacheFactory cacheFactory) {this.cacheFactory = cacheFactory;}

    @Override
    public Result invoke(Invoker<?> invoker, Invocation invocation) throws RpcException {if (cacheFactory != null && ConfigUtils.isNotEmpty(invoker.getUrl().getMethodParameter(invocation.getMethodName(), Constants.CACHE_KEY))) {Cache cache = cacheFactory.getCache(invoker.getUrl(), invocation);
            if (cache != null) {String key = StringUtils.toArgumentString(invocation.getArguments());
                Object value = cache.get(key);
                if (value != null) {if (value instanceof ValueWrapper) {return new RpcResult(((ValueWrapper)value).get());
                    } else {return new RpcResult(value);
                    }
                }
                Result result = invoker.invoke(invocation);
                if (!result.hasException()) {cache.put(key, new ValueWrapper(result.getValue()));
                }
                return result;
            }
        }
        return invoker.invoke(invocation);
    }

可以看出，在 RPC 调用（invoke）的链路上，会先使用请求参数判断当前线程是否刚刚发起过同样参数的调用——这个调用会使用 ThreadLocalCache 保存起来。具体的看，ThreadLocalCache 的实现如下：

package org.apache.dubbo.cache.support.threadlocal;

import org.apache.dubbo.cache.Cache;
import org.apache.dubbo.common.URL;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * ThreadLocalCache
 */
public class ThreadLocalCache implements Cache {

    //ThreadLocal 里存放的是参数到结果的映射
    private final ThreadLocal<Map<Object, Object>> store;

    public ThreadLocalCache(URL url) {this.store = new ThreadLocal<Map<Object, Object>>() {
            @Override
            protected Map<Object, Object> initialValue() {return new HashMap<Object, Object>();
            }
        };
    }

    @Override
    public void put(Object key, Object value) {store.get().put(key, value);
    }

    @Override
    public Object get(Object key) {return store.get().get(key);
    }

}

RocketMQ

在 RocketMQ 中，我也找到了 ThreadLocal 的身影，它是用在消息发送的场景，MQClientAPIImpl 是 RMQ 中负责将消息发送到服务端的实现，其中有一个步骤需要选择一个具体的队列，选择具体的队列的时候，不同的线程有自己负责的 index 值，这里使用了 ThreadLocal 的机制，可以看下 ThreadLocalIndex 的实现：

package org.apache.rocketmq.client.common;

import java.util.Random;

public class ThreadLocalIndex {private final ThreadLocal<Integer> threadLocalIndex = new ThreadLocal<Integer>();
    private final Random random = new Random();

    public int getAndIncrement() {Integer index = this.threadLocalIndex.get();
        if (null == index) {index = Math.abs(random.nextInt());
            if (index < 0)
                index = 0;
            this.threadLocalIndex.set(index);
        }

        index = Math.abs(index + 1);
        if (index < 0)
            index = 0;

        this.threadLocalIndex.set(index);
        return index;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ThreadLocalIndex{" +
            "threadLocalIndex=" + threadLocalIndex.get() +
            '}';
    }
}

总结

这篇文章主要是解决了关于 ThreadLocal 的几个问题：（1）具体的概念是啥？（2）在 Java 开发中的什么场景下使用？（3）ThreadLocal 的实现原理是怎样的？（4）开源项目中有哪些案例可以参考？不知道你是否对这几个问题有了一定的了解呢？如果还有疑问，欢迎交流。

参考资料

  1. Why 0x61c88647?
  2. Java ThreadLocal
  3. When and how should I use a ThreadLocal variable?
  4. 技术小黑屋：理解 Java 中的 ThreadLocal
  5. 深入分析 ThreadLocal 的内存泄漏问题
  6. 《Java 并发编程实战》
  7. InheritableThreadLocal 详解
  8. ThreadLocal 详解
  9. ThreadLocal 的使用场景
  10. 数据结构：哈希表

本号专注于后端技术、JVM 问题排查和优化、Java 面试题、个人成长和自我管理等主题，为读者提供一线开发者的工作和成长经验，期待你能在这里有所收获。

正文完
发表至： java
2019-07-21
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