深入理解ThreadLocal

本文转发自技术世界，原文链接　http://www.jasongj.com/java/threadlocal/
《Java并发编程：深入剖析ThreadLocal》

ThreadLocal的理解

ThreadLocal，很多地方叫做线程本地变量，也有些地方叫做线程本地存储。ThreadLocal 提供了线程本地的实例。它与普通变量的区别在于，每个使用该变量的线程都会初始化一个完全独立的实例副本。ThreadLocal 变量通常被private static修饰。当一个线程结束时，它所使用的所有 ThreadLocal 相对的实例副本都可被回收

ThreadLocal 适用于每个线程需要自己独立的实例且该实例需要在多个方法中被使用，也即变量在线程间隔离而在方法或类间共享的场景

例子：

class ConnectionManager {
     
    private static Connection connect = null;
     
    public static Connection openConnection() {
        if(connect == null){
            connect = DriverManager.getConnection();
        }
        return connect;
    }
     
    public static void closeConnection() {
        if(connect!=null)
            connect.close();
    }
}

假设有这样一个数据库链接管理类，这段代码在单线程中使用是没有任何问题的，但是如果在多线程中使用呢？很显然，在多线程中使用会存在线程安全问题：第一，这里面的2个方法都没有进行同步，很可能在openConnection方法中会多次创建connect；第二，由于connect是共享变量，那么必然在调用connect的地方需要使用到同步来保障线程安全，因为很可能一个线程在使用connect进行数据库操作，而另外一个线程调用closeConnection关闭链接。
　　所以出于线程安全的考虑，必须将这段代码的两个方法进行同步处理，并且在调用connect的地方需要进行同步处理。
　　这样将会大大影响程序执行效率，因为一个线程在使用connect进行数据库操作的时候，其他线程只有等待。
　　那么大家来仔细分析一下这个问题，这地方到底需不需要将connect变量进行共享？事实上，是不需要的。假如每个线程中都有一个connect变量，各个线程之间对connect变量的访问实际上是没有依赖关系的，即一个线程不需要关心其他线程是否对这个connect进行了修改的。
　　到这里，可能会有朋友想到，既然不需要在线程之间共享这个变量，可以直接这样处理，在每个需要使用数据库连接的方法中具体使用时才创建数据库链接，然后在方法调用完毕再释放这个连接。比如下面这样：

class ConnectionManager {
     
    private  Connection connect = null;
     
    public Connection openConnection() {
        if(connect == null){
            connect = DriverManager.getConnection();
        }
        return connect;
    }
     
    public void closeConnection() {
        if(connect!=null)
            connect.close();
    }
}
 
 
class Dao{
    public void insert() {
        ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager();
        Connection connection = connectionManager.openConnection();
         
        //使用connection进行操作
         
        connectionManager.closeConnection();
    }
}

这样处理确实也没有任何问题，由于每次都是在方法内部创建的连接，那么线程之间自然不存在线程安全问题。但是这样会有一个致命的影响：导致服务器压力非常大，并且严重影响程序执行性能。由于在方法中需要频繁地开启和关闭数据库连接，这样不尽严重影响程序执行效率，还可能导致服务器压力巨大。
　　那么这种情况下使用ThreadLocal是再适合不过的了，因为ThreadLocal在每个线程中对该变量会创建一个副本，即每个线程内部都会有一个该变量，且在线程内部任何地方都可以使用，线程之间互不影响，这样一来就不存在线程安全问题，也不会严重影响程序执行性能。

private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder
    = new ThreadLocal<Connection>() {
    public Connection initialValue() {
        return DriverManager.getConnection(DB_URL);
    }
};
 
public static Connection getConnection() {
return connectionHolder.get();
}

但是要注意，虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题，但是由于在每个线程中都创建了副本，所以要考虑它对资源的消耗，比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

深入解析ThreadLocal

先了解一下ThreadLocal类提供的几个方法：

public T get() { }
public void set(T value) { }
public void remove() { }
protected T initialValue() { }

get()方法是用来获取ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本，set()用来设置当前线程中变量的副本，remove()用来移除当前线程中变量的副本，initialValue()是一个protected方法，一般是用来在使用时进行重写的，它是一个延迟加载方法

ThreadLocal维护线程与实例的映射

既然每个访问 ThreadLocal 变量的线程都有自己的一个“本地”实例副本。一个可能的方案是 ThreadLocal 维护一个 Map，键是 Thread，值是它在该 Thread 内的实例。线程通过该 ThreadLocal 的 get() 方案获取实例时，只需要以线程为键，从 Map 中找出对应的实例即可。该方案如下图所示

image

该方案可满足上文提到的每个线程内一个独立备份的要求。每个新线程访问该 ThreadLocal 时，需要向 Map 中添加一个映射，而每个线程结束时，应该清除该映射。这里就有两个问题：

• 增加线程与减少线程均需要写Map，故需保证该Map线程安全。
• 线程结束时，需要保证它所访问的所有 ThreadLocal 中对应的映射均删除，否则可能会引起内存泄漏。

其中锁的问题，是 JDK 未采用该方案的一个原因。

Thread维护ThreadLocal与实例的映射

上述方案中，出现锁的问题，原因在于多线程访问同一个 Map。如果该 Map 由 Thread 维护，从而使得每个 Thread 只访问自己的 Map，那就不存在多线程写的问题，也就不需要锁。该方案如下图所示。

image

该方案虽然没有锁的问题，但是由于每个线程访问某 ThreadLocal 变量后，都会在自己的 Map 内维护该 ThreadLocal 变量与具体实例的映射，如果不删除这些引用（映射），则这些 ThreadLocal 不能被回收，可能会造成内存泄漏。后文会介绍 JDK 如何解决该问题。

ThreadLocal 在 JDK 8 中的实现

ThreadLocalMap与内存泄漏

该方案中，Map 由 ThreadLocal 类的静态内部类 ThreadLocalMap 提供。该类的实例维护某个 ThreadLocal 与具体实例的映射。与 HashMap 不同的是，ThreadLocalMap 的每个 Entry 都是一个对键的弱引用，这一点从super(k)可看出。另外，每个 Entry 都包含了一个对值的强引用。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
  /** The value associated with this ThreadLocal. */
  Object value;
  Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
    super(k);
    value = v;
  }
}

使用弱引用的原因在于，当没有强引用指向 ThreadLocal 变量时，它可被回收，从而避免上文所述 ThreadLocal 不能被回收而造成的内存泄漏的问题。

但是，这里又可能出现另外一种内存泄漏的问题。ThreadLocalMap 维护 ThreadLocal 变量与具体实例的映射，当 ThreadLocal 变量被回收后，该映射的键变为 null，该 Entry 无法被移除。从而使得实例被该 Entry 引用而无法被回收造成内存泄漏。

注：Entry虽然是弱引用，但它是ThreadLocal类型的弱引用（也即上文所述它是对键的弱引用），而非具体实例的的弱引用，所以无法避免具体实例相关的内存泄漏。

读取实例

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();
}

读取实例时，线程首先通过getMap(t)方法获取自身的 ThreadLocalMap。从如下该方法的定义可见，该 ThreadLocalMap 的实例是 Thread 类的一个字段，即由 Thread 维护 ThreadLocal 对象与具体实例的映射，这一点与上文分析一致。

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

获取到 ThreadLocalMap 后，通过map.getEntry(this)方法获取该 ThreadLocal 在当前线程的 ThreadLocalMap 中对应的 Entry。该方法中的 this 即当前访问的 ThreadLocal 对象。

如果获取到的 Entry 不为 null，从 Entry 中取出值即为所需访问的本线程对应的实例。如果获取到的 Entry 为 null，则通过setInitialValue()方法设置该 ThreadLocal 变量在该线程中对应的具体实例的初始值。

设置初始值

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;
}

该方法为 private 方法，无法被重载。

首先，通过initialValue()方法获取初始值。该方法为public方法，且默认返回null。所以典型用法中常常重载该方法。上例中即在内部匿名类中将其重载。

然后拿到该线程对应的 ThreadLocalMap 对象，若该对象不为 null，则直接将该 ThreadLocal 对象与对应实例初始值的映射添加进该线程的 ThreadLocalMap中。若为 null，则先创建该 ThreadLocalMap 对象再将映射添加其中。

这里并不需要考虑 ThreadLocalMap 的线程安全问题。因为每个线程有且只有一个 ThreadLocalMap 对象，并且只有该线程自己可以访问它，其它线程不会访问该 ThreadLocalMap，也即该对象不会在多个线程中共享，也就不存在线程安全的问题。

设置实例

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

该方法先获取该线程的 ThreadLocalMap 对象，然后直接将 ThreadLocal 对象（即代码中的 this）与目标实例的映射添加进 ThreadLocalMap 中。当然，如果映射已经存在，就直接覆盖。另外，如果获取到的 ThreadLocalMap 为 null，则先创建该 ThreadLocalMap 对象。

防止内存泄漏

对于已经不再被使用且已被回收的 ThreadLocal 对象，它在每个线程内对应的实例由于被线程的 ThreadLocalMap 的 Entry 强引用，无法被回收，可能会造成内存泄漏。

针对该问题，ThreadLocalMap 的 set 方法中，通过 replaceStaleEntry 方法将所有键为 null 的 Entry 的值设置为 null，从而使得该值可被回收。另外，会在 rehash 方法中通过 expungeStaleEntry 方法将键和值为 null 的 Entry 设置为 null 从而使得该 Entry 可被回收。通过这种方式，ThreadLocal 可防止内存泄漏。

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);
  int sz = ++size;
  if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
    rehash();
}

ThreadLocal的应用场景

ThreadLocal适用于以下两种场景：

• 每个线程需要有自己单独的实例
• 实例需要在多个方法中共享，但不希望被多线程共享

最常见的ThreadLocal使用场景为用来解决数据库连接、Session管理等

总结

• ThreadLocal 并不解决线程间共享数据的问题
• ThreadLocal 通过隐式的在不同线程内创建独立实例副本避免了实例线程安全的问题
• 每个线程持有一个 Map 并维护了 ThreadLocal 对象与具体实例的映射，该 Map 由于只被持有它的线程访问，故不存在线程安全以及锁的问题
• ThreadLocalMap 的 Entry 对 ThreadLocal 的引用为弱引用，避免了 ThreadLocal 对象无法被回收的问题
• ThreadLocalMap 的 set 方法通过调用 replaceStaleEntry 方法回收键为 null 的 Entry 对象的值（即为具体实例）以及 Entry 对象本身从而防止内存泄漏
• ThreadLocal 适用于变量在线程间隔离且在方法间共享的场景