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关于java:源码篇ThreadLocal的奇思妙想万字图文

jiezi

前言

ThreadLocal 的文章在网上也有不少，然而看了一些后，了解起来总感觉有绕，而且 看了 ThreadLocal 的源码，无论是线程隔离、类环形数组、弱援用构造等等，切实是太有意思了！我必须也要让大家全面感触下其中所蕴含的那些奇思妙想！ 所以这里我想写一篇超几儿通俗易懂解析 ThreadLocal 的文章，相干流程会应用大量图示解析，以证实：我是干货，不是水比！

ThreadLocal 这个类加上宏大的正文，总共也才七百多行，而且你把这个类的代码拷贝进去，你会发现，它简直没有报错！耦合度极低！（惟一的报错是因为 ThreadLocal 类援用了 Thread 类里的一个包内可见变量，所以把代码复制进去，这个变量拜访就报错了，仅仅只有此处报错！）

ThreadLocal 的线程数据隔离，替换算法，擦除算法，都是有必要去理解理解，仅仅大量的代码，却能实现如此精妙的性能，让咱们来领会下 Josh Bloch 和 Doug Lea 俩位大神，鬼斧神工之作吧！

一些阐明

这篇文章画了不少图，大略画了十八张图，对于替换算法和擦除算法，这俩个办法所做的事件，如果不画图，光用文字描述的话，非常的形象且很难形容分明；心愿这些流程图，能让大家更能领会这些精炼代码的魅力！

应用

哔哔原理之前，必须要先来看下应用

  • 应用起来出奇的简略，仅仅应用 set() 和get()办法即可
public class Main {public static void main(String[] args) {ThreadLocal<String> threadLocalOne = new ThreadLocal<>();
        ThreadLocal<String> threadLocalTwo = new ThreadLocal<>();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {threadLocalOne.set("线程一的数据 --- threadLocalOne");
                threadLocalTwo.set("线程一的数据 --- threadLocalTwo");
                System.out.println(threadLocalOne.get());
                System.out.println(threadLocalTwo.get());
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {System.out.println(threadLocalOne.get());
                System.out.println(threadLocalTwo.get());
                threadLocalOne.set("线程二的数据 --- threadLocalOne");
                threadLocalTwo.set("线程二的数据 --- threadLocalTwo");
                System.out.println(threadLocalOne.get());
                System.out.println(threadLocalTwo.get());
            }
        }).start();}
}

  • 打印后果

    • 一般来说，咱们在主存（或称工作线程）创立一个变量；在子线程中批改了该变量数据，子线程完结的时候，会将批改的数据同步到主存的该变量上
    • 然而，在此处，能够发现，俩个线程都应用同一个变量，然而在线程一外面设置的数据，齐全没影响到线程二
    • cool！简略易用，还实现了数据隔离与不同的线程
线程一的数据 --- threadLocalOne
线程一的数据 --- threadLocalTwo
null
null
线程二的数据 --- threadLocalOne
线程二的数据 --- threadLocalTwo

前置常识

在解释 ThreadLocal 整体逻辑前，须要先理解几个前置常识

上面这些前置常识，是在说 set 和 get 前，必须要先理解的知识点，理解上面这些知识点，能力更好去理解整个存取流程

线程隔离

在下面的 ThreadLocal 的应用中，咱们发现一个很乏味的事件，ThreadLocal 在不同的线程，如同可能存储不同的数据：就如同 ThreadLocal 自身具备存储性能，到了不同线程，可能生成不同的 '正本' 存储数据一样

实际上，ThreadLocal 到底是怎么做到的呢？

  • 来看下 set()办法，看看到底怎么存数据的：此处波及到 ThreadLocalMap 类型，暂且把他当成 Map，具体的前面栏目剖析

    • 其实这中央做了一个很有意思的操作：线程数据隔离的操作，是 Thread 类和 ThreadLocal 类相互配合做到的
    • 在上面的代码中能够看进去，在塞数据的时候，会获取执行该操作的以后线程
    • 拿到以后线程，取到 threadLocals 变量，而后好像以以后实例为 key，数据 value 的模式往这个 map 外面塞值（有区别，set 栏目再具体说）
    • 所以 应用 ThreadLocal 在不同的线程中进行写操作，实际上数据都是绑定在以后线程的实例上，ThreadLocal 只负责读写操作，并不负责保留数据，这就解释了，为什么 ThreadLocal 的 set 数据，只在操作的线程中有用
    • 大家有没有感觉这种思路有些奇妙！
// 存数据
public void set(T value) {Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocal.ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

// 获取以后 Thread 的 threadLocals 变量
ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread t) {return t.threadLocals;}

//Thread 类
public class Thread implements Runnable {
    ...
        
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    
    ...
}

  • 来看下图示

    • 图上只花了了一个 ThreadLocal，想多花几个，而后线穿插了，晕
    • threadLocals 是能够存储多个 ThreadLocal，多个存取流程同理如下

  • 总结下：通过下面的很简略的代码，就实现了线程的数据隔离，也能失去几点论断

    • ThreadLocal 对象自身是不贮存数据的，它自身的职能是执行相干的 set、get 之类的操作
    • 以后线程的实例，负责存储 ThreadLocal 的 set 操作传入的数据，其数据和以后线程的实例绑定
    • 一个 ThreadLocal 实例，在一个线程中只能贮存一类数据，前期的 set 操作，会笼罩之前 set 的数据
    • 线程中 threadLocals 是数组构造，能贮存多个不同 ThreadLocal 实例 set 的数据

Entry

  • 说到 Entry，须要先晓得下四大援用的基础知识

强援用：不论内存如许缓和，gc 永不回收强援用的对象

软援用：当内存不足，gc 对软援用对象进行回收

弱援用：gc 发现弱援用，就会立即回收弱援用对象

软援用：在任何时候都可能被垃圾回收器回收

Entry 就是一个实体类，这个实体类有俩个属性：key、value，key 是就是咱们常说的的弱援用

当咱们执行 ThreadLocal 的 set 操作，第一次则新建一个 Entry 或后续 set 则笼罩改 Entry 的 value，塞到以后 Thread 的 ThreadLocals 变量中

  • 来看下 Entry 代码

    • 此处 key 获得是 ThreadLocal 本身的实例，能够看进去 Entry 持有的 key 属性，属于弱援用属性
    • value 就是咱们传入的数据：类型取决于咱们定义的泛型
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);
        value = v;
    }
}
  • Entry 有个比拟奇妙的构造，继承弱援用类，而后本身外部又定义了一个强援用属性，使得该类有一强一弱的属性
  • 结构图

你可能会想，what？我用 ThreadLocal 来 set 一个数据，而后 gc 一下，我 Entry 外面 key 变量援用链就断开了？

  • 来试一下
public class Main {public static void main(String[] args) {ThreadLocal<String> threadLocalOne = new ThreadLocal<>();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {threadLocalOne.set("线程一的数据 --- threadLocalOne");
                System.gc();
                System.out.println(threadLocalOne.get());
            }
        }).start();}
}
  • 后果
线程一的数据 --- threadLocalOne

看来这里 gc 了个寂寞。。。

在这里，必须明确一个情理：gc 回收弱援用对象，是先回收弱援用的对象，弱援用链天然断开；而不是先断开援用链，再回收对象。Entry 外面 key 对 ThreadLocal 的援用是弱援用，然而 threadLocalOne 对 ThreadLocal 的援用是强援用啊，所以 ThreadLocal 这个对象是没法被回收的

  • 来看下下面代码真正的援用关系

  • 此处能够演示下，threadLocalOne 对 ThreadLocal 的援用链断开，Entry 外面 key 援用被 gc 回收的状况
public class Main {static ThreadLocal<String> threadLocalOne = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {threadLocalOne.set("线程一的数据 --- threadLocalOne");
                try {
                    threadLocalOne = null;
                    System.gc();

                    // 上面代码来自：https://blog.csdn.net/thewindkee/article/details/103726942
                    Thread t = Thread.currentThread();
                    Class<? extends Thread> clz = t.getClass();
                    Field field = clz.getDeclaredField("threadLocals");
                    field.setAccessible(true);
                    Object threadLocalMap = field.get(t);
                    Class<?> tlmClass = threadLocalMap.getClass();
                    Field tableField = tlmClass.getDeclaredField("table");
                    tableField.setAccessible(true);
                    Object[] arr = (Object[]) tableField.get(threadLocalMap);
                    for (Object o : arr) {if (o == null) continue;
                        Class<?> entryClass = o.getClass();
                        Field valueField = entryClass.getDeclaredField("value");
                        Field referenceField = entryClass.getSuperclass().getSuperclass().getDeclaredField("referent");
                        valueField.setAccessible(true);
                        referenceField.setAccessible(true);
                        System.out.println(String.format("弱援用 key:%s    值:%s", referenceField.get(o), valueField.get(o)));
                    }
                } catch (Exception e) {}}
        }).start();}
}

  • 后果

    • key 为 null 了！下面有行代码：threadLocalOne = null，这个就是断开了对 ThreadLocal 对象的强援用
    • 大家如果有趣味的话，能够把 threadLocalOne = null 去掉，再运行的话，会发现，key 不会为空
    • 反射代码的性能就是取到 Thread 中 threadLocals 变量，循环取其中的 Entry，打印 Entry 的 key、value 值
弱援用 key:null    值: 线程一的数据 --- threadLocalOne
弱援用 key:java.lang.ThreadLocal@387567b2    值:java.lang.ref.SoftReference@2021fb3f

  • 总结

    • 大家心里可能会想，这变量始终持有强援用，key 那个弱援用可有可无啊，而且子线程代码执行工夫个别也不长

    • 其实不然，咱们能够想想 Android app 外面的主线程，就是一个死循环，以事件为驱动，外面能够搞巨多巨难的逻辑，这个强援用的变量被赋其它值就很可能了

      • 如果 key 是强援用，那么这个 Entry 外面的 ThreadLocal 根本就很难被回收
      • key 为弱援用，当 ThreadLocal 对象强援用链断开后，其很容易被回收了，相干革除算法，也能很容易清理 key 为 null 的 Entry
    • 一个弱援用都能玩出这么多花色

ThreadLocalMap 环形构造

  • 咱们来看下 ThreadLocalMap 代码

    • 先去掉一堆临时没必要关注的代码
    • table 就是 ThreadLocalMap 的次要构造了，数据都存在这个数组外面
    • 所以说，ThreadLocalMap 的主体构造就是一个 Entry 类型的数组
public class ThreadLocal<T> {
    
    ...
    
    static class ThreadLocalMap {

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

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {super(k);
                value = v;
            }
        }
        
        /**
         * The table, resized as necessary.
         * table.length MUST always be a power of two.
         */
        private Entry[] table;

        ...
    }
}
  • 在此处你可能又有疑难了，这货色不就是一个数组吗？怎么和环形构造扯上关系了？

  • 数组失常状况下的确是上面的这种构造

  • 然而，ThreadLocalMap 类外面，有个办法做了一个骚操作，看下代码
public class ThreadLocal<T> {
    
    ...
    
    static class ThreadLocalMap {
        ...
            
        private static int nextIndex(int i, int len) {return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
        }
           
        ...
    }
}

  • 这个 nextIndex 办法，大家看懂了没？

    • 它的次要作用，就是将传入 index 值加一
    • 然而！当 index 值长度超过数组长度后，会间接返回 0，又回到了数组头部，这就实现了一个环形构造

  • 总结

    • 这样做有个很大的益处，可能大大的节俭内存的开销，可能充沛的利用数组的空间
    • 取数据的时候会升高一些效率，工夫置换空间

set

总流程

  • 塞数据的操作，来看下这个 set 操作的代码：上面的代码，逻辑还是很简略的

    1. 获取以后线程实例
    2. 获取以后线程中的 threadLocals 实例
    3. threadLocals 不为空执行塞值操作
    4. threadLocals 为空，new 一个 ThreadLocalMap 赋值给 threadLocals，同时塞入一个 Entry
public void set(T value) {Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

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

void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
  • 须要留神的是，ThreadLocalMap 生成 Entry 数组，设置了一个默认长度，默认为：16
 private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    ...
}
  • 流程图

map.set

  • 下面说了一些细枝末节，当初来说说最重要的map.set(this, value) 办法
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {// We don't use a fast path as with get() because it is at
    // least as common to use set() to create new entries as
    // it is to replace existing ones, in which case, a fast
    // path would fail more often than not.

    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)]) {ThreadLocal<?> k = e.get();

        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }

        if (k == null) {replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();}

取哈希值

  • 下面代码有个计算哈希值的操作

    • 从 key.threadLocalHashCode 这行代码上来看，就如同将本身的实例计算 hash 值
    • 其实看了残缺的代码，发现传入 key，只不过是为了调用 nextHashCode 办法，用它来计算哈希值，并不是将以后 ThreadLocal 对象转化成 hash 值
public class ThreadLocal<T> {private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
    
    private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

    private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
        ...
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
        ...
    }

    private static int nextHashCode() {return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
}

  • 这中央用了一个原子类的操作，来看下getAndAdd() 办法的作用

    • 这就是个相加的性能，相加后返回原来的旧值，保障相加的操作是个原子性不可分割的操作
public class Main {public static void main(String[] args) {AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
        
        System.out.println(atomicInteger.getAndAdd(1));  //0
        System.out.println(atomicInteger.getAndAdd(1));  //1
        System.out.println(atomicInteger.getAndAdd(1));  //2
    }
}
  • HASH_INCREMENT = 0x61c88647，为什么偏偏将将 0x61c88647 这个十六进制相加呢，为什么不能是 1，2，3，4，5，6 呢？

该值的相加，合乎斐波那契散列法，能够使得的低位的二进制数值散布的更加平均，这样会缩小在数组中产生 hash 抵触的次数

具体分析可查看：从 ThreadLocal 的实现看散列算法

等等大家有没有看到 threadLocalHashCode = nextHashCode()，nextHashCode()是获取下一个节点的办法啊，这是什么鬼？

难道每次应用 key.threadLocalHashCode 的时候，HashCode 都会变？

  • 看下残缺的赋值语句

    • 这是在初始化变量的时候，就间接定义赋值的
    • 阐明实例化该类的时候，nextHashCode()获取一次 HashCode 之后，就不会再次获取了
    • 加上用的 final 润饰，仅能赋值一次
    • 所以 threadLocalHashCode 变量，在实例化 ThreadLocal 的时候，获取 HashCode 一次，该数值就定下来了，在该实例中就不会再变动了
public class ThreadLocal<T> {private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
}

如同又发现一个问题！threadHashCode 通过 nextHashCode() 获取 HashCode，而后 nextHashCode 是应用 AtomicInteger 类型的 nextHashCode 变量相加，这玩意每次实例化的时候不都会归零吗？

难道咱们每次新的 ThreadLocal 实例获取 HashCode 的时候，都要从 0 开始相加？

  • 来看下残缺代码

    • 大家看下 AtomicInteger 类型的 nextHashCode 变量，他的润饰关键字是static
    • 这阐明该变量的数值，是和这个类绑定的，和这个类生成的实例无关，而且从始至终，只会实例化一次
    • 当不同的 ThreadLocal 实例调用 nextHashCode，他的数值就会相加一次
    • 而且每个实例只能调用一次 nextHashCode()办法，nextHashCode 数值会很平均的变动
public class ThreadLocal<T> {private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
    
    private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

    private static int nextHashCode() {return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
}

总结

  • 通过寥寥数行的初始化，几个关键字，就能造成在不同实例中，都能稳步变动的 HashCode 数值
  • 这些基础知识大家或者都晓得，又有多少能这样信手拈来呢？

取 index 值

下面代码中，用获得的 hash 值，与 ThreadLocalMap 实例中数组长度减一的与操作，计算出了 index 值

这个很重要的，因为大于长度的高位 hash 值是不须要的

此处会将传入的 ThreadLocal 实例计算出一个 hash 值，怎么计算的前面再说，这中央有个位与的操作，这中央是和长度减一的与操作，这个很重要的，因为大于长度的高位 hash 值是不须要的

  • 假如 hash 值为：010110011101
  • 长度（此处抉择默认值：16-1）：01111
  • 看下图可知，这个与操作，可去掉高位无用的 hash 值，取到的 index 值可限度在数组长度中

塞值

  • 看下塞值进入 ThreadLocalMap 数组的操作

    • 对于 Key：因为 Entry 是继承的 WeakReference 类，get()办法是获取其外部弱援用对象，所以能够通过 get()拿到以后 ThreadLocal 实例
    • 对于 value：间接 .value 就 OK 了
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {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)]) {ThreadLocal<?> k = e.get();

        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }

        if (k == null) {replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    ...
}

剖析下塞值流程

  • 实际上面的循环还值得去思考，来思考下这循环解决的事件
  • 循环中获取以后 index 值，从 Entry 数组取到以后 index 地位的 Entry 对象

  1. 如果获取的这 Entry 是 null，则间接完结这个循环体

    • 在 Entry 数组的 index 塞入一个新生成的节点

  2. 如果获取的这 Entry 不为 null

    1. key 值相等，阐明 Entry 对象存在，笼罩其 value 值即可
    2. key 为 null，阐明该节点可被替换（替换算法前面讲），new 一个 Entry 对象，在此节点存储数据
    3. 如果 key 不相等且不为 null，循环获取下一节点的 Entry 对象，并反复上述逻辑

整体的逻辑比拟清晰，如果 key 已存在，则笼罩；不存在，index 地位是否可用，可用则应用该节点，不可用，往后寻找可用节点：线性探测法

  • 替换旧节点的逻辑，切实有点绕，上面独自提出来阐明

替换算法

在上述 set 办法中，当生成的 index 节点，已被占用，会向后探测可用节点

  • 探测的节点为 null，则会间接应用该节点
  • 探测的节点 key 值雷同，则会笼罩 value 值
  • 探测的节点 key 值不雷同，持续向后探测
  • 探测的节点 key 值为 null，会执行一个替换旧节点的操作，逻辑有点绕，上面来剖析下
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {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)]) {ThreadLocal<?> k = e.get();
        ...
        if (k == null) {replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }
    ...
}
  • 来看下 replaceStaleEntry 办法中的逻辑
private static int prevIndex(int i, int len) {return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}

private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, int staleSlot) {Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    Entry e;

    // Back up to check for prior stale entry in current run.
    // We clean out whole runs at a time to avoid continual
    // incremental rehashing due to garbage collector freeing
    // up refs in bunches (i.e., whenever the collector runs).
    int slotToExpunge = staleSlot;
    for (int i = prevIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = prevIndex(i, len))
        if (e.get() == null)
            slotToExpunge = i;

    // Find either the key or trailing null slot of run, whichever
    // occurs first
    for (int i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {ThreadLocal<?> k = e.get();

        // If we find key, then we need to swap it
        // with the stale entry to maintain hash table order.
        // The newly stale slot, or any other stale slot
        // encountered above it, can then be sent to expungeStaleEntry
        // to remove or rehash all of the other entries in run.
        if (k == key) {
            e.value = value;

            tab[i] = tab[staleSlot];
            tab[staleSlot] = e;

            // Start expunge at preceding stale entry if it exists
            if (slotToExpunge == staleSlot)
                slotToExpunge = i;
            cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
            return;
        }

        // If we didn't find stale entry on backward scan, the
        // first stale entry seen while scanning for key is the
        // first still present in the run.
        if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
            slotToExpunge = i;
    }

    // If key not found, put new entry in stale slot
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

    // If there are any other stale entries in run, expunge them
    if (slotToExpunge != staleSlot)
        cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}

  • 下面的代码，很显著俩个循环是重点逻辑，这外面有俩个很重要的字段：slotToExpunge 和 staleSlot

    • staleSlot：记录传进来节点 key 为 null 的地位
    • slotToExpunge：标定是否须要执行最初的清理办法
  • 第一个循环：很显著是往前列表头结点方向探测，是否还有 key 为 null 的节点，有的话将其下标赋值给 slotToExpunge；这个探测是一个间断的不为 null 的节点链范畴，有空节点，立马完结循环

  • 第二个循环：很显著次要是向后探测，探测整个数组，这里有很重要逻辑

    • 这中央曾经开始有点绕了，我 giao，大家要好好想想
    • 当探测的 key 和传入的须要设值的 key 雷同时，会复写探测到 Entry 的 value，而后将探测到地位和传入地位，俩者互相调换

  • 为什么会呈现探测到 Entry 和传入 key 雷同？

    • 雷同是因为，存在到数组的时候，产生了 hash 抵触，会主动向后探测适合的地位存储
    • 当你第二次用 ThreadLocal 存值的时候，hash 产生的 index，比拟俩者 key，必定是不可能雷同，因为产生了 hash 抵触，真正贮存 Entry，在往后的地位；所以须要向后探测
    • 假如探测的时候，始终没有遇到 key 为 null 的 Entry：失常循环的话，必定是能探测到 key 雷同的 Entry，而后进行复写 value 的操作
    • 然而在探测的时候，遇到 key 为 null 的 Entry 的呢？此时就进入了替换旧 Entry 算法，所以替换算法就也有了一个向后探测的逻辑
    • 探测到雷同 key 值的 Entry，就阐明了找到了咱们须要复写 value 的 Entry 实例

  • 为什么要调换俩者地位呢？

    • 这个问题，大家能够好好想想，咱们时候往后探测，而这 key 为 null 的 Entry 实例，属于较快的探测到 Entry
    • 而这个 Entry 实例的 key 又为 null，阐明这个 Entry 能够被回收了，此时正处于占着茅坑不拉屎的地位
    • 此时就能够把我须要复写 Entry 实例和这个 key 为 null 的 Entry 调换地位
    • 能够使得咱们须要被操作的 Entry 实例，在下次被操作时候，能够尽快被找到
  • 调换了地位之后，就会执行擦除旧节点算法

  • 下面是探查间断的 Entry 节点，未碰到 null 节点的状况；如果碰到 null 节点，会间接完结探测

    • 请留神，如果数组中，有须要复写 value 的节点；在计算的 hash 值处，向后探测的过程，肯定不会碰到 null 节点
    • 毕竟，第一次向后探测可用节点是，碰到第一个 null 节点，就停下来应用了

  • 在第二个循环中，还有一段代码，比拟有意思，这判断逻辑的作用是

    • 以 key 为 null 的 Entry，以它为界线
    • 向前探测的时候，未碰到 key 为 null 的 Entry
    • 而向后探测的时候，碰到的 key 为 null 的 Entry
    • 而后扭转 slotToExpunge 的值，使其和 staleSlot 不相等
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, int staleSlot) {
       ...
    for (int i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {
        ...
        if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
            slotToExpunge = i;
    }
    ...
}

  • 能够看进去这俩个循环的操作，是有关联性，对此，我示意

为什么这俩个循环都这么执着的，想扭转 slotToExpunge 的数值呢？

  • 来看下对于 slotToExpunge 的要害代码
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, int staleSlot) {
    ...
    int slotToExpunge = staleSlot;
    ...
    if (slotToExpunge != staleSlot)
        cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}

明确了吧！都是为了替换办法外面的最初一段逻辑：为了判断是否须要执行 擦除算法

总结

  • 双向探测流程

    • 替换算法会以传入的 key 为 null 的 Entry 节点为界线，在一个间断的 Entry 范畴往俩边探测

      • 什么是间断的 Entry 范畴？这边数组的节点都不能为 null，碰到为 null 节点会完结探测
    • 先向前探测：如果碰到 key 为 null 的 Entry，会将其下标赋值给slotToExpunge
    • 向后探测使：如果向前探测没有碰到 key 的节点，只有向后探测的时候碰到为 null 的节点，会将其下标赋值给slotToExpunge
    • 上面向俩边探测的逻辑，是为了：遇到 key 为 null 的节点，能确保 slotToExpunge 不等于 staleSlot

  • 在向后探测的时候，如果遇到 key 值比照雷同的 Entry，阐明遇到咱们须要复写 value 的 Entry

    • 此时复写 value 的 Entry，用咱们传入的 value 数值将其原来的 value 数值笼罩
    • 而后将传入 key 为 null 的 Entry（通过传入的下标得悉 Entry）和须要复写 value 的 Entry 替换地位
    • 最初执行擦除算法

  • 如果在向后探测的时候，没有遇到遇到 key 值比照雷同的 Entry

    • 传入 key 为 null 的 Entry，将其 value 赋值为 null，断开援用
    • 创立一个新节点，放到此地位，key 为传入以后 ThreadLocal 实例，value 为传入的 value 数据
    • 而后依据 lotToExpunge 和 staleSlot 是否相等，来判断是否要执行擦除算法

总结

来总结下

  • 再来看下总流程

  • 下面剖析完了替换旧节点办法逻辑，终于能够把 map.set 的那块替换算法操作流程补起来了

    • 不论后续遇到 null，还是遇到须要被复写 value 的 Entry，这个 key 为 null 的 Entry 都将被替换掉

这俩个图示，大略形容了 ThreadLocal 进行 set 操作的整个流程；当初，进入下一个栏目吧，来看看 ThreadLocal 的 get 操作！

get

get 流程，总体要比 set 流程简略很多，能够轻松一下了

总流程

  • 来看下代码

    • 总体流程非常简单，将本身作为 key，传入 map.getEntry 办法，获取合乎实例的 Entry，而后拿到 value，返回就行了
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();}

  • 如果通过 map.getEntry 获取的 Entry 为 null，会返回setInitialValue()，来看下这个办法是干嘛的

    • 从这个办法可知，如果咱们没有进行 set 操作，间接进行 get 操作，他会给 ThreadLocal 的 threadLocals 办法赋初值
    • setInitialValue() 办法，返回的是initialValue() 办法的数据，可知默认为 null
    • 所以通过 key 没查到对应的 Entry，get 办法会返回 null
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;
}

protected T initialValue() {return null;}

void createMap(Thread t, T firstValue) {t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

map.getEntry

  • 从下面的代码能够看进去，getEntry 办法是获取符合条件的节点

    • 这里逻辑很简略，通过以后 ThreadLocal 实例获取 HashCode，而后算出 index 值
    • 间接获取以后 index 下标的 Entry，将其 key 和以后 ThreadLocal 实例比照，看是否一样
    • 雷同：阐明没有产生 Hash 碰撞，能够间接应用
    • 不雷同 ：阐明产生了 Hash 碰撞，须要向后探测寻找，执行 getEntryAfterMiss() 办法
    • 此时，就须要来看看 getEntryAfterMiss()办法逻辑了
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

getEntryAfterMiss

  • 来看下代码
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    while (e != null) {ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == key)
            return e;
        if (k == null)
            expungeStaleEntry(i);
        else
            i = nextIndex(i, len);
        e = tab[i];
    }
    return null;
}

整体逻辑还是很清晰了，通过 while 循环，一直获取 Entry 数组中的下一个节点，循环中有三个逻辑走向

  1. 以后节点的 key 等于以后 ThreadLocal 实例：间接返回这个节点的 Entry
  2. 以后节点的 key 为 null：执行擦除旧节点算法，持续循环
  3. 以后节点的能够不等于以后 ThreadLocal 实例且不为 null：获取下一节点的下标，而后持续下面的逻辑
  • 如果没有获取到符合条件的 Entry 节点，会间接返回 null

总结

ThreadLocal 的流程，总体上比较简单

  • 将以后 ThreadLocal 实例当为 key，查找 Entry 数组以后节点（应用 ThreadLocal 中的魔术值算出的 index）是否符合条件

  • 不符合条件将返回 null

    • 从未进行过 set 操作
    • 未查到符合条件的 key

  • 符合条件就间接返回以后节点

    • 如果遇到哈希抵触，算出的 index 值的 Entry 数组上存在 Entry，然而 key 不相等，就向后查找
    • 如果遇到 key 为 null 的 Entry，就执行擦除算法，而后持续往后寻找
    • 如果遇到 key 相当的 Entry，就间接完结寻找，返回这个 Entry 节点
  • 这里大家肯定要明确一个概念：在 set 的流程，产生了 hash 抵触，是在抵触节点向后的间断节点上，找到符合条件的节点存储，所以查问的时候，只须要在间断的节点上查找，如果碰到为 null 的节点，就能够间接完结查找

擦除算法

在 set 流程和 get 流程都应用了这个擦除旧节点的逻辑，它能够及时革除掉 Entry 数组中，那些 key 为 null 的 Entry，如果 key 为 null，阐明这些这节点，曾经没中央应用了，所以就须要革除掉

  • 来看看这个办法代码
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    // expunge entry at staleSlot
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    // Rehash until we encounter null
    Entry e;
    int i;
    for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == null) {
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
            if (h != i) {tab[i] = null;

                // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                // null because multiple entries could have been stale.
                while (tab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                tab[h] = e;
            }
        }
    }
    return i;
}

前置操作

从下面的代码，能够发现，再进行次要的循环体，有个前置操作

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    // expunge entry at staleSlot
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    ...
}
  • 这中央做了很简略的置空操作，如果 Entry 节点的 key 为空，阐明这个节点能够被革除，value 置空，和数组的链接断开

<img src=”https://cdn.jsdelivr.net/gh/CNAD666/MyData@master/pic/flutter/blog/20210506095408.png” alt=” 擦除算法 - 前置操作 ” style=”zoom: 70%;” />

主体逻辑

  • 很显著，循环体外面的逻辑是最重要，而且循环体外面做了一个相当乏味的操作！
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    ...
    // Rehash until we encounter null
    Entry e;
    int i;
    for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == null) {
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
            if (h != i) {tab[i] = null;

                // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                // null because multiple entries could have been stale.
                while (tab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                tab[h] = e;
            }
        }
    }
    return i;
}
  • 下面的循环体外面，就是一直的获取下一节点的 Entry 实例，而后判断 key 值进行相干解决
  • key 为 null：中规中矩的，将 value 置空，断开与数组的链接

  • key 不为 null：这时候就有意思了

    • 首先，会获取以后 ThreadLocal 实例的 hash 值，而后获得 index 值

    • 判断 h(idnex 值)和 i 是否相等，不相等进行下述操作，因为 Entry 数组是环形构造，是实现存在相等的状况

      1. 会将以后循环到节点置空，该节点的 Entry 记为 e
      2. 从通过 hreadLocal 实例的 hash 值获取到 index 处，开始进行循环
      3. 循环到节点 Entry 为 null，则完结循环
      4. 将 e 赋值给为 null 的节点
    • 这外面的逻辑就是要害了
  • 大家可能对这个文字的形容，感觉比拟形象，来个图，来领会下这短短几行代码的妙处

总结

代码很少，然而实现的性能却并不少

  • 擦除旧节点的办法，在 Entry 上探测的时候

    • 遇到 key 为空的节点，会将该节点置空
    • 遇到 key 不为空的节点，会将该节点移到靠前地位（具体挪动逻辑，请参考上述阐明）

  • 交互到靠前节点地位，能够看出，次要的目标，是为了：

    • ThreadLocal 实例计算出的 index 节点地位往后的地位，能让节点放弃连续性
    • 也能让替换的节点，更快的被操作

扩容

在进行 set 操作的时候，会进行相干的扩容操作

  • 来看下扩容代码入口：resize 办法便是扩容办法
public void set(T value) {
    ...
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    ...
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();}

private void rehash() {expungeStaleEntries();

    // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();}
  • 来看下扩容代码
private void resize() {Entry[] oldTab = table;
    int oldLen = oldTab.length;
    int newLen = oldLen * 2;
    Entry[] newTab = new Entry[newLen];
    int count = 0;

    for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {Entry e = oldTab[j];
        if (e != null) {ThreadLocal<?> k = e.get();
            if (k == null) {e.value = null; // Help the GC} else {int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                while (newTab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, newLen);
                newTab[h] = e;
                count++;
            }
        }
    }

    setThreshold(newLen);
    size = count;
    table = newTab;
}

触发条件

先来看下扩容的触发条件吧

  • 整体代码
public void set(T value) {
    ...
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    ...
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();}

private void rehash() {expungeStaleEntries();

    // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();}

下面次要的代码就是：!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold

  • 来看下 threshold 是什么

    • 只有 Entry 数组含有 Entry 实例大于等于数组的长度的三分之二，便能满足后一段断定
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

private void setThreshold(int len) {threshold = len * 2 / 3;}
  • 来看看前一段的断定，看下cleanSomeSlots，只有返回 false，就能触发扩容办法了
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
    boolean removed = false;
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    do {i = nextIndex(i, len);
        Entry e = tab[i];
        if (e != null && e.get() == null) {
            n = len;
            removed = true;
            i = expungeStaleEntry(i);
        }
    } while ((n >>>= 1) != 0);
    return removed;
}

n >>>= 1：表白是无符号右移一位，负数高位补 0，正数高位补 1

举例：0011 —> 0001

在下面的 cleanSomeSlots 办法中，只有在探测节点的时候，没有遇到 Entry 的 key 为 null 的节点，该办法就会返回 false

  • rehash 办法就非常简单了

    • 执行擦除办法
    • 只有 size(含有 Entry 实例数)长度大于等于 3 /4 threshold，就执行扩容操作
private void rehash() {expungeStaleEntries();

    // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        resize();}

总结

满足上面俩个条件即可

  1. Entry 数组中不含 key 为 null 的 Entry 实例
  2. 数组中含有是实例数大于等于 threshold 的四分之三（threshold 为数组长度的 三分之二）

扩容逻辑

private void resize() {Entry[] oldTab = table;
    int oldLen = oldTab.length;
    int newLen = oldLen * 2;
    Entry[] newTab = new Entry[newLen];
    int count = 0;

    for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {Entry e = oldTab[j];
        if (e != null) {ThreadLocal<?> k = e.get();
            if (k == null) {e.value = null; // Help the GC} else {int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                while (newTab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, newLen);
                newTab[h] = e;
                count++;
            }
        }
    }

    setThreshold(newLen);
    size = count;
    table = newTab;
}
  • 从下面的逻辑，能够看进去，将旧数组的数据赋值到扩容数组，并不是全盘赋值到扩容数组的对应地位

  • 遍历旧数组，取出其中的 Entry 实例

    • key 为 null：须要将该节点 value 置空，期待 GC 解决（Help the GC，hhhh）

      • 这里你可能有个疑难，不是说数组的节点 key 不为 null，才会触发扩容机制吗？
      • 在多线程的环境里，执行扩容的时候，key 的强援用断开，导致 key 被回收，从而 key 为 null，这是齐全存在的
    • key 不为 null：算出 index 值，向扩容数组中存储，如果该节点抵触，向后找到为 null 的节点，而后存储
  • 这里的扩容存储和 ArrayList 之类是有区别

总结

能够发现

  • set，替换，擦除，扩容，根本无时无刻，都是为了使 hash 抵触节点，向抵触的节点凑近
  • 这是为了进步读写节点的效率

remove

remove 办法是非常简单的，ThreadLocal 领有三个 api：set、get、remove；尽管非常简单，然而还有一些必要，来略微理解下

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

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;
        }
    }
}

逻辑十分的清晰，通过 ThreadLocal 实例，获取以后的 index，而后从此开始查找符合条件 Entry，找到后，会将其 key 值清掉，而后执行擦除算法

e.clear 就是，弱援用的清理弱援用的办法，很简略，将弱援用 referent 变量置空就行了，这个变量就是持有弱援用对象的变量

<img src=”https://cdn.jsdelivr.net/gh/CNAD666/MyData@master/pic/flutter/blog/20210506095436.png” alt=”remove 流程 ” style=”zoom: 33%;” />

最初

文章写到这里，基本上到了序幕了，写了差不多万余字，心愿大家看完后，对 ThreadLocal 能有个更加深刻的意识

ThreadLocal 的源码尽管并不多，然而其中有很多奇思妙想，有种萝卜雕花的感觉，这就是高手写的代码吗？

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