ThreadLocal底层原理学习

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1. 是什么?

首先 ThreadLocal 类是一个线程数据绑定类, 有点类似于HashMap<Thread, 你的数据 > (但实际上并非如此), 它所有线程共享, 但读取其中数据时又只能是获取线程自己的数据, 写入也只能给线程自己的数据

2. 怎么用?

public class ThreadLocalDemo {private static final ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    
    public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {threadLocal.set("zhazha" + Thread.currentThread().getName());
                String s = threadLocal.get();
                System.out.println("threadName =" + Thread.currentThread().getName()  + "[ threadLocal ="  + threadLocal + "\t data =" + s + "]");
            }, "threadName" + i).start();}
    }
}

从他的输入来看, ThreadLocal是同一个, 数据存的是线程自己的名字, 所以和 threadName 是一样的名称

threadName = threadName9 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName9]
threadName = threadName3 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName3]
threadName = threadName7 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName7]
threadName = threadName0 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName0]
threadName = threadName6 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName6]
threadName = threadName1 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName1]
threadName = threadName2 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName2]
threadName = threadName4 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName4]
threadName = threadName5 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName5]
threadName = threadName8 [threadLocal = java.lang.ThreadLocal@43745e1f     data = zhazhathreadName8]

3. 有什么使用场景

我们使用获取到一个保存数据库请求, tomcat 会有一个线程去操作数据库保存数据和响应数据给客户, 而操作数据库需要存在一个数据库链接 Connection 对象, 只要是同一个数据库链接, 就可以得到同一个事务
但一个线程是如何获取同一个 Connection 从而获取同一个事务 ?
方法其实很简单, 使用 ThreadLocal绑定在线程中, 类似于 Map<Thread, Connection> 去存储

4. 底层源码分析

get方法分析

public T get() {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取 ThreadLocalMap
    ThreadLocal.ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // map 不为 null
    if (map != null) {
        // 根据 this 获取我们的 entry
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 如果 map 获取为空, 则初始化
    return setInitialValue();}

根据上面源码分析发现 ThreadLocal 底层使用的不是类似 Map<Thread, Data> 这种结构而是

每个线程都有一个属于自己的 ThreadLocalMap 结构
而他的结构是这样的

其中的 table 数组在上面的 setInitialValue() 方法创建详细源码在这

private T setInitialValue() {
    // 这个方法在我们的用例中没写, 所以默认放回 null
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取线程单独的 ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {// 如果我们初始化了 initialValue() 方法, 那么它默认初始化的值会被设置到这里, 
        // 但是实际上我们用例为 null, 所以不会执行这段代码
        map.set(this, value);
    } else {
        // 线程 ThreadLocalMap 没被创建, 需要创建出来, 
        // 其中的 table 数组在这里被创建
        createMap(t, value);
    }
    // 这里我没分析, 忽略了
    if (this instanceof TerminatingThreadLocal) {TerminatingThreadLocal.register((TerminatingThreadLocal<?>) this);
    }
    return value;
}

他会在 ThreadLocalMap 中调用构造方法初始化

// 其中 firstValue 是我们的值
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    // 关注下 this , 它是 ThreadLocal
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    // 我们的 table 在这里被创建, INITIAL_CAPACITY == 16
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    // 获取不超过 16 的 hashCode
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    // 根据计算出来的 HashCode 设置到对应的 table 数组中, 这里 key 是 ThreadLocal, value 是我们的值
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    // 初始时, 已经有一个值了, 所以 size = 1
    size = 1;
    // 设置扩容阈值加载因子 threshold = len * 2 / 3; 默认为长度的三分之二
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

从这段代码可以发现, firstKey其实是我们 ThreadLocalMap 中的 key, 而firstKey 就是我们的 ThreadLocal, 而value 就是我们 initialValue() 方法返回的值, 这里默认为null, 所以我们可以得出这样一幅图

总结下
每个线程都有一个属于自己的 ThreadLocalMap 类, 他用于关联多个以 ThreadLocal 对象为 key, 以 你的数据 为value的 Entry 对象, 且该对象的 key 是一个 弱引用对象

接下来我们分析下这个类Entry, 它继承了弱引用类WeakReference

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        // ThreadLocal 被设置为弱引用
        super(k);
        // 保存 value
        value = v;
    }
}

发现 ThreadLocal 被设置为弱引用

存在什么问题?

为什么前面的 Entry 需要继承弱引用类 WeakReference 呢?
首先了解下什么是引用

简单了解下强、软、弱和虚引用

  • 强引用: 如果引用变量没被指向 null 则, 引用对象将被停留在堆中, 无法被虚拟机回收Object obj = new Object()
  • 软引用: 如果虚拟机堆内存不够用了 (在发生内存溢出之前), 虚拟机可以选择回收软引用对象, 虚拟机提供SoftReference 类实现软引用, 一般用于相对比较重要但又可以不用的对象, 比如: 缓存
  • 弱引用: 生于系统回收之前, 死于系统回收完毕之后, 弱引用需要依附于强引用或者软引用才能够防止被虚拟机回收, 比如放到一个引用队列 (ReferenceQueue) 中或者对象中, 比如: ThreadLocalMap的 Entry 对象, 需要依附于 ThreadLocal 才能够不被删除掉
  • 虚引用: 可以理解为跟强引用对象没了引用变量一样, 随时可以被回收, 只要依附于引用队列中才不会被回收, 通常用于网络通讯的 NIO 上, 用于引用直接内存, java 提供类 PhantomReference 来实现虚引用

为何 Entry 对象需要为弱引用?

答案很明显, 防止内存泄漏 [1], 我们来详细分析分析
首先, 我们知道 ThreadLocalMap 中存放的是一个一个 Entry 对象, 而 Entry对象中的 key(ThreadLocal) 被设计成弱引用如果 key 被设置成 null
(比如: 外部的测试用例中的private static final ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>(); 这个对象被设置为 threadLocal = null) 则, 你会发现此时 Entry 的对象 key = null value = xxxx(此时这个Entry 实质上是没有用的, 连 key 都给设置成 null, 它的value 还有什么用?) 而 ThreadLocalMap 中存储的还是 Entry 对象的地址, 此 Entry 不会被回收, 但 Entry 对象的 key 被设置成弱引用, 就不一样了, 直接会被回收掉它

[1]内存泄漏: 程序中己动态分配的堆内存由于某种原因程序未释放或无法释放，造成系统内存的浪费，导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等严重后果

那么这样就没有问题了么???(打脸篇)

再次强调, 下面这段话别信, 仔细看到最后, 你会发现这被打脸了

其实应该是没什么问题了 (__被自己打脸了, 别信这句话__), 只不过很多网友觉得Entry 中的 key 虽然是弱引用, 但 Entry 可能不会被回收, 因为 entry 的value是强引用, 可能导致线程下的 entry 无法被回收掉, 最好推荐使用 threadLocal.remove 方法删除掉, 前面说的 threadLocal = null 方法不推荐使用, 那么为了以防万一吧, 还是手动调用下 remove 方法比较好一点

下面是我对 threadLocal = null 方式的代码测试:

public class ThreadLocalDemo {private static ThreadLocal<String> threadLocal1 = new ThreadLocal<>() {
        @Override
        protected String initialValue() {return "1";}
        
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {super.finalize();
            System.out.println("threadLocal1 被回收");
        }
    };
    private static ThreadLocal<String> threadLocal2 = new ThreadLocal<>() {
        @Override
        protected String initialValue() {return "2";}
        
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {super.finalize();
            System.out.println("threadLocal1 被回收");
        }
    };
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        // 获取 ThreadLocalMap
        Thread thread = Thread.currentThread();
        Class<? extends Thread> clazz = thread.getClass();
        Field threadLocals = clazz.getDeclaredField("threadLocals");
        threadLocals.setAccessible(true);
        Object threadLocalsObj = threadLocals.get(thread);
        // 获取 ThreadLocalMap 下的 table 数组
        Class<?> threadLocalsMapClass = threadLocalsObj.getClass();
        Field tableField = threadLocalsMapClass.getDeclaredField("table");
        tableField.setAccessible(true);
        Object[] tableObj = (Object[]) tableField.get(threadLocalsObj);
        threadLocal1.set("zhazha");
        threadLocal2.set("xixi");
        System.out.println(threadLocal1.get());
        System.out.println(threadLocal2.get());
        // 在这里下一个断点看看 ThreadLocal 被回收, Entry 是否被回收
        threadLocal1 = null;
        threadLocal2 = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println(tableObj);
        System.out.println("主线程结束");
    }
}

输出是这样的:

WARNING: An illegal reflective access operation has occurred
WARNING: Illegal reflective access by com.zhazha.threadlocal.ThreadLocalDemo (file:/D:/program/codes/java/Concurrentcy/reviewjuc/target/classes/) to field java.lang.Thread.threadLocals
WARNING: Please consider reporting this to the maintainers of com.zhazha.threadlocal.ThreadLocalDemo
WARNING: Use --illegal-access=warn to enable warnings of further illegal reflective access operations
WARNING: All illegal access operations will be denied in a future release
zhazha
xixi
[Ljava.lang.ThreadLocal$ThreadLocalMap$Entry;@aecb35a
主线程结束

如果上面的代码不调用 gc 方法, 很长一段时间内不会被回收, 应该是 jvm gc 还没开始被动回收

但!!! 但!!! 但!!! 看调试代码

数组中的 referent 字段还是存在的, 下图是 gc 回收之前查看数组中的元素发现, 字段referent(也就是ThreadLocal) 它还在

在 gc 方法执行完毕后, referent被回收掉了, referent = null了

但是那个对象怎么回事??? 没被回收掉?? 打脸了??? 求助广大网友给我看看

那让我们试试 remove方法试试?

好了, 直接没了, 找不到那两个属性了

这 An illegal reflective access operation has occurred 这个问题怎么帮? 这回真不知道了, 应该不影响我们的代码么?

算了为了把这个红色的字改没掉, 改了改源码

public class ThreadLocalDemo {private static ThreadLocal<String> threadLocal1 = new ThreadLocal<>() {
        @Override
        protected String initialValue() {return "1";}
        
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {super.finalize();
            System.out.println("threadLocal1 被回收");
        }
    };
    private static ThreadLocal<String> threadLocal2 = new ThreadLocal<>() {
        @Override
        protected String initialValue() {return "2";}
        
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {super.finalize();
            System.out.println("threadLocal1 被回收");
        }
    };
    
    private static Unsafe unsafe;
    
    static {
        Class<Unsafe> unsafeClass = Unsafe.class;
        Unsafe unsafe = null;
        try {Field unsafeField = unsafeClass.getDeclaredField("theUnsafe");
            unsafeField.setAccessible(true);
            ThreadLocalDemo.unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, NoSuchFieldException {Thread thread = Thread.currentThread();
        long threadLocalsFieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(Thread.class.getDeclaredField("threadLocals"));
        Object threadLocalMapObj = unsafe.getObject(thread, threadLocalsFieldOffset);
        long tableOffset = unsafe.objectFieldOffset(threadLocalMapObj.getClass().getDeclaredField("table"));
        Object tableObj = unsafe.getObject(threadLocalMapObj, tableOffset);
        threadLocal1.set("zhazha");
        threadLocal2.set("xixi");
        System.out.println(threadLocal1.get());
        System.out.println(threadLocal2.get());
        threadLocal1 = null;
        threadLocal2 = null;
        // threadLocal1.remove();
        // threadLocal2.remove();
        System.gc();
        System.out.println(tableObj);
        System.out.println("主线程结束");
    }
}

好了没这个问题了

zhazha
xixi
threadLocal1 被回收
threadLocal1 被回收
[Ljava.lang.ThreadLocal$ThreadLocalMap$Entry;@7dc222ae
主线程结束
与目标 VM 断开连接, 地址为: ''127.0.0.1:58958'，传输: '套接字'', 传输: '{1}'

进程已结束, 退出代码 0

正文完
多线程
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2020-06-28
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