关于后端:线程私有变量ThreadLocal详解

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什么是 ThreadLocal

首先看下 ThreadLocal 的应用示例：

public class ThreadLocalTest {private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
 
    public static void main(String[] args) {Thread thread1 = new Thread(() -> {threadLocal.set("本地变量 1");
            print("thread1");
            System.out.println("线程 1 的本地变量的值为:"+threadLocal.get());
        });
 
        Thread thread2 = new Thread(() -> {threadLocal.set("本地变量 2");
            print("thread2");
            System.out.println("线程 2 的本地变量的值为:"+threadLocal.get());
        });
 
        thread1.start();
        thread2.start();}
 
    public static void print(String s){System.out.println(s+":"+threadLocal.get());
     
    }

执行后果如下

咱们从 Thread 类讲起，在 Thread 类中有保护两个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 对象，别离是：threadLocals 和inheritableThreadLocals。

/* 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;

初始它们都为 null，只有在调用 ThreadLocal 类的 set 或 get 时才创立它们。ThreadLocalMap 能够了解为线程公有的 HashMap。

ThreadLoalMap 是 ThreadLocal 中的一个动态外部类，相似 HashMap 的数据结构，但并没有实现 Map 接口。

ThreadLoalMap 中初始化了一个 大小 16 的 Entry 数组，Entry 对象用来保留每一个 key-value 键值对。key 是 ThreadLocal 对象。

Entry 用来保留数据，而且还是继承的弱援用。在 Entry 外部应用 ThreadLocal 作为 key，应用咱们设置的 value 作为 value。

ThreadLocal 原理

set()办法

当咱们调用 ThreadLocal 的 set() 办法时理论是调用了以后线程的 ThreadLocalMap 的 set() 办法。ThreadLocal 的 set() 办法中，会进一步调用 Thread.currentThread() 取得以后线程对象，而后获取到以后线程对象的 ThreadLocal，判断是不是为空，为空就先调用creadMap() 创立再 set(value) 创立 ThreadLocalMap 对象并增加变量。不为空就间接set(value)。

这种保障线程平安的形式称为 线程关闭。线程只能看到本人的 ThreadLocal 变量。线程之间是相互隔离的。

get()办法

其中 get() 办法 用来获取与以后线程关联的 ThreadLocal 的值，如果以后线程没有该 ThreadLocal 的值，则调用 initialValue 函数 获取初始值返回，所以个别咱们应用时须要继承该函数，给出初始值（不重写的话默认返回 Null）。

次要有以下几步：

  1. 获取以后的 Thread 对象，通过 getMap 获取 Thread 内的 ThreadLocalMap
  2. 如果 map 曾经存在，以以后的 ThreadLocal 为键，获取 Entry 对象，并从从 Entry 中取出值
  3. 否则，调用 setInitialValue 进行初始化。
/**
 * Returns the value in the current thread's copy of this
 * thread-local variable.  If the variable has no value for the
 * current thread, it is first initialized to the value returned
 * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
 *
 * @return the current thread's value of this thread-local
 */
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();}

咱们能够重写initialValue()，设置初始值。

    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>(){
        @Override
        protected Integer initialValue() {return Integer.valueOf(0);
        }
    }

remove()办法

最初一个须要探索的就是 remove 办法，它用于在 map 中移除一个不必的 Entry。也是先计算出 hash 值，若是第一次没有命中，就循环直到 null，在此过程中也会调用 expungeStaleEntry 革除空 key 节点。代码如下：

public void remove() {ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
}


/**
 * Remove the entry for key.
 */
private void remove(ThreadLocal<?> key) {Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {if (e.get() == key) {e.clear();
                    expungeStaleEntry(i);
                    return;
                }
            }
}

实际上 ThreadLocalMap 中应用的 key 为 ThreadLocal 的弱援用，弱援用的特点是，如果这个对象只存在弱援用，那么在下一次垃圾回收的时候必然会被清理掉。

所以如果 ThreadLocal 没有被内部强援用的状况下，在垃圾回收的时候会被清理掉的，这样一来 ThreadLocalMap 中应用这个 ThreadLocal 的 key 也会被清理掉。然而，value 是强援用，不会被清理，这样一来就会呈现 key 为 null 的 value。呈现内存透露的问题。

在执行 ThreadLocal 的 set、remove、rehash 等办法时，它都会扫描 key 为 null 的 Entry，如果发现某个 Entry 的 key 为 null，则代表它所对应的 value 也没有作用了，所以它就会把对应的 value 置为 null，这样，value 对象就能够被失常回收了。然而假如 ThreadLocal 曾经不被应用了，那么实际上 set、remove、rehash 办法也不会被调用，与此同时，如果这个线程又始终存活、不终止的话，那么方才的那个调用链就始终存在，也就导致了 value 的内存透露。

ThreadLocal 的 Hash 算法

ThreadLocalMap相似 HashMap，它有本人的 Hash 算法。

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
  
private static int nextHashCode() {return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
    
public final int getAndAdd(int delta) {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

HASH_INCREMENT这个数字被称为 斐波那契数 也叫 黄金分割数 ，带来的益处就是 hash 散布十分平均。

每当创立一个 ThreadLocal 对象，这个ThreadLocal.nextHashCode 这个值就会增长 0x61c88647。

讲到 Hash 就会波及到 Hash 抵触，跟 HashMap 通过 链地址法 不同的是，ThreadLocal 是通过 线性探测法 / 凋谢地址法 来解决 hash 抵触。

ThreadLocal 1.7 和 1.8 的区别

ThreadLocal 1.7 版本的时候，entry 对象的 key 是 Thread。

1.8 版本 entry 的 key 是 ThreadLocal。

1.8 版本的益处：当 Thread 销毁的时候，ThreadLocalMap 也会随之销毁，缩小内存的应用。因为 ThreadLocalMap 是在 Thread 外面的，所以只有 Thread 隐没了，那 ThreadLocalMap 就不复存在了。

ThreadLocal 的问题

ThreadLocal 内存泄露问题

在 ThreadLocalMap 中的 Entry 的 key 是对 ThreadLocal 的 WeakReference 弱援用，而 value 是强援用。当 ThreadLocalMap 的某 ThreadLocal 对象只被弱援用，GC 产生时该对象会被清理，此时 key 为 null，但 value 为强援用不会被清理。此时 value 将拜访不到也不被清理掉就可能会导致内存透露。

留神构造函数里的第一行代码 super(k)，这意味着 ThreadLocal 对象是一个弱援用

/**
 * The entries in this hash map extend WeakReference, using
 * its main ref field as the key (which is always a
 * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
 * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
 * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
 * as "stale entries" in the code that follows.
 */
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

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

因而咱们应用完 ThreadLocal 后最好手动调用 remove() 办法。但其实在 ThreadLocalMap 的实现中以及思考到这种状况，因而在调用 set()、get()、remove() 办法时，会清理 key 为 null 的记录。

为什么应用弱援用而不是强援用?

为什么采纳了弱援用的实现而不是强援用呢？

正文上有这么一段话：为了帮助解决数据比拟大并且生命周期比拟长的场景，hash table 的条目应用了 WeakReference 作为 key。

所以，弱援用反而是为了解决内存存储问题而专门应用的。

实际上，采纳弱援用反而多了一层保障，ThreadLocal 被清理后 key 为 null，对应的 value 在下一次 ThreadLocalMap 调用 set、get，就算遗记调用 remove 办法，弱援用比强援用能够多一层保障。

所以，内存泄露的根本原因是是否手动革除操作，而不是弱援用。

ThreadLocal 父子线程继承

异步场景下无奈给子线程共享父线程的线程正本数据，能够通过 InheritableThreadLocal 类解决这个问题。

它的原理就是子线程是通过在父线程中调用 new Thread() 创立的，在 Thread 的构造方法中调用了 Thread 的 init 办法，在 init 办法中父线程数据会复制到子线程（ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);）。

代码示例：

public class InheritableThreadLocalDemo {public static void main(String[] args) {ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
        ThreadLocal<String> inheritableThreadLocal = new InheritableThreadLocal<>();
        threadLocal.set("父类数据:threadLocal");
        inheritableThreadLocal.set("父类数据:inheritableThreadLocal");

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {System.out.println("子线程获取父类 threadLocal 数据：" + threadLocal.get());
                System.out.println("子线程获取父类 inheritableThreadLocal 数据：" +inheritableThreadLocal.get());
            }
        }).start();}
}

然而咱们做异步解决都是应用线程池，线程池会复用线程会导致问题呈现。咱们能够应用阿里巴巴的 TTL 解决这个问题。

https://github.com/alibaba/tr…

如果本篇博客有任何谬误和倡议，欢送给我留言斧正。文章继续更新，能够关注公众号第一工夫浏览。

正文完
后端
发表至： 后端
2023-02-14
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