死磕Java源码之ThreadLocal实现分析
通俗的讲， ThreadLocal是Java里一种特殊的变量。每个线程都有一个ThreadLocalMap，用来存放ThreadLocal变量表，当然这里不是直接通过Map的方式存储，而是通过一个table和Entry结构存储
因为ThreadLocalMap变量是跟线程绑定的，所以不存在多线程共享变量之间的并发问题，所以ThreadLocal也就是线程安全的变量。
屏幕快照 2018-09-06 上午11.20.55.png
具体的结构，在源码部分说明
ThreadLocal的使用
ThreadLocal主要有以下几个方法：
public T get() { } // 用来获取ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本
public void set(T value) { } //set()用来设置当前线程中变量的副本
public void remove() { } //remove()用来移除当前线程中变量的副本
protected T initialValue() { } //initialValue()是一个protected方法，一般是用来在使用时进行重写的
写一个demo，在main线程和新建线程中，对同一个ThreadLocal变量进行修改，看下修改后的结果：
public class ThreadLocalDemo {
public static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
public static void main(String[] args) {
ThreadLocalDemo.threadLocal.set("hello world main");
System.out.println(ThreadLocalDemo.threadLocal.get());
try {
Thread thread = new Thread() {
public void run() {
ThreadLocalDemo.threadLocal.set("hello world thread");
System.out.println(ThreadLocalDemo.threadLocal.get());
};
};
thread.start();
thread.join();
} catch (Exception ex) {
System.out.println(ex);
}
System.out.println(ThreadLocalDemo.threadLocal.get());
}
}
执行输出：
hello world main
hello world thread
hello world main
不难看出，我们在new Thread()中对ThreadLocal的变量threadLocal进行修改后，在main线程中再次输出，其值并没有收到影响，他们修改的分别是各自的副本，不会对其他副本有影响。
当然这里完整的逻辑是应该在使用完调用remove方法删除threadLocal副本，以防内存泄露。
具体原理见下文
ThreadLocal的内存泄漏与源码分析
ThreadLocal的结构如图：
image
ThreadLocal为什么会内存泄漏
每个Thread 维护一个 ThreadLocalMap 映射表，这个映射表的 key 是 ThreadLocal实例本身，value 是真正需要存储的 Object。
也就是说 ThreadLocal 本身并不存储值，它只是作为一个 key 来让线程从 ThreadLocalMap 获取 value。值得注意的是图中的虚线，表示 ThreadLocalMap 是使用 ThreadLocal 的弱引用作为 Key 的，弱引用的对象在 GC 时会被回收。
ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，那么系统 GC 的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value永远无法回收，造成内存泄漏。
其实，ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施：在ThreadLocal的get(),set(),remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value，当然这只是一种防护措施，最好的使用方法是在用完了ThreadLocal变量时，调用remove()方法主动将ThreadLocal和value释放。
关于为什么ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用，这就跟弱引用的机制有关，若引用的对象在JVM执行GC的时候就会被回收掉。通过gc前后查看table中对应entry对象的referent即可查看是否被回收（示例的前提是ThreadLocal的强引用对象已经释放）：
GC之前：
GC之后：
此时Entry的referent=null，当再次通过调用get、set、remove方法是，ThreadLocal会有各自的机制，将Map中key(referent)为空的Entry移除，并释放其中的value，一定成都避免了内存泄漏，此机制源码分析阶段说明。
ThreadLocal源码分析
ThreadLocal中的关键属性
//创建ThreadLocal时，复制的HashCode
//HashCode是在全局静态的nextHashCode基础上增加一个HASH_INCREMENT而来
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
下面分析几个具体的函数：
- get方法的实现
/**
* 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();
}
首先是当前线程，然后通过getMap(t)方法获取到一个map，map的类型为ThreadLocalMap。然后接着下面获取到<key,value>键值对，注意这里获取键值对传进去的是 this，而不是当前线程t。如果获取成功，则返回value值。如果map为空，则调用setInitialValue方法返回value。
- setInitialValue方法的实现
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;
}
/**
* 构造ThreadLocalMap
**/
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);
}
首先是通过调用initialValue，initialValue是protected方法，初始化ThreadLocal时可以重写此函数，相当于延迟加载，然后通过getMap创建threadLocals，如果threadLocals不存在时，会调用createMap创建一个初始大小为16的Entry数组table，并新建一个Entry存入table中。这个threadLocals就是用来存储实际的变量副本的，键值为当前ThreadLocal变量，value为变量副本（即T类型的变量）
这里重点看下Entry类
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
Entry类是集成自WeakReference，然后使用ThreadLocal作为了键，也就是说这里的ThreadLocal是一个弱引用在GC的时候会被回收。
接上文，如果map存在，则会调用map的getEntry方法，getEntry方法实现：
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
//通过hash算出数组下标
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key)
//如果取出Entry，并且e.get也就是referent与threadLocal相同，则说明是需要的值，返回Entry对象e ，判断e.get() = key 是解决hash碰撞的情况
return e;
else
//如果下标i的Entry不存在或者 其threadLocal不相同，则执行此
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
while (e != null) {
//说明有此entry，可能是hash碰撞的结果
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key)
return e;
if (k == null)
//处理已无引用的ThreadLocal变量等，解决内存泄漏的机制之一
expungeStaleEntry(i);
else
//下标+1
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
//如果getEntry中获取的entry=null，则说明无此ThreadLocal变量，返回null
return null;
}
expungeStaleEntry 方法
//删除可以释放的Entry
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) {
//如果发现ThreadLocal已经被释放掉，则通过这里来释放value的引用，以及删除数组table中的Entry
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else {
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
if (h != i) {
//重新设置Entry在table中的位置
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;
}
通过对get方法的大致分析，可以分为几个阶段：
1）判断Map是否存在，如果不存在初始化Map以及table等
2）如果已存在，并且获取到Entry，则返回
3）如果不存在，则调用expungeStaleEntry清除需要释放的ThreadLocal、释放对value的一用，从table中删除相应下标的Entry，以及重新设置元素在table中的位置
- set方法的实现
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
set方法中的createMap与上文的createMap相同，不在做说明，重点看下map.set(this, value); 这里直接在温中锋
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) {
//如果通过hash计算的下标取出的entry的key与设置的相同，则更新value
e.value = value;
return;
}
if (k == null) {
//和HashMap不一样，由于Entry key继承了软引用，会出现k是null的情况！所以会接着在replaceStaleEntry重新循环寻找相同的key
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
//如果key!= null 并且 k != key 说明存在hash鹏铮
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
//调用cleanSomeSlots()对table进行清理，如果没有任何Entry被清理，并且表的size超过了阈值，就会调用rehash()方
rehash();
}
hash散列的键值数据在存储过程中可能会发生碰撞，大家知道HashMap存储的是一个Entry链，当hash发生冲突后，将新的Entry存放在链表最前端。但是ThreadLocalMap不一样，采用index+1作为重散列的hash值写入。另外有一点需要注意key出现null的原因是由于Entry的key是继承了软引用，在下一次GC时不管它有没有被引用都会被回收掉而Value没有被回收。当出现null时，会调用replaceStaleEntry()方法接着循环寻找相同的key，如果存在，直接替换旧值。如果不存在，则在当前位置上重新创建新的Entry.
-
remove方法的实现
-
//ThreadLocal public void remove() { ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread()); if (m != null) m.remove(this); } /** * ThreadeLocalMap * 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; } } }remove方法相对简单，通过hashcode计算出下标，然后判断key与要删除的ThreadLocal是否一致，如果一致，释放掉相应的引用，并调用expungeStaleEntry方法清理其他的可以释放的对象。
ThreadLocal的使用场景
- 每个线程自己独享的数据，比如session数据
- 实例需要在多个方法中共享，但不希望被多线程共享
比如在Dubbo中的RpcContext实例，在RpcContext.java文件中，通过静态的ThreadLocal变量，为每个线程持有一个RpcContext对象，这个RpcContext对象只有在此线程的不同方法中共享使用，在多线程中不会共享，是一种典型的应用，包括重写了initialValue方法
rivate static final ThreadLocal<RpcContext> LOCAL = new ThreadLocal<RpcContext>() {
@Override
/**
* 重新initialValue方法，当get时为null时，通过回调此方法获取RpcContext实例
**/
protected RpcContext initialValue() {
return new RpcContext();
}
};
/**
* get context.
*
* @return context
*/
public static RpcContext getContext() {
return LOCAL.get();
}
/**
* remove context.
*
* @see com.alibaba.dubbo.rpc.filter.ContextFilter
*/
public static void removeContext() {
LOCAL.remove();
}
总结
-
ThreadLocal并不解决线程间共享数据的问题，通过使用ThreadLocal是使数据在不同线程有不同的副本，不会有多线程共享数据也就不需要解决共享数据的问题 - 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，避免了因ThreadLocalMap强引用 ThreadLocal 对象在线程回收之前无法被回收的问题 -
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 -
ThreadLocalMap的 get 方法通过调用expungeStaleEntry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 -
ThreadLocalMap当hash发生冲突后，并不是与HashMap一样采用的Entry链表将新的Entry存放在链表最前端。而是采用index+1作为重散列的hash值来重新存储Entry值
文章部分自己理解，部分借鉴了大牛们的文章，在此表示感谢！如有bug，劳烦指正！
参考：
https://blog.csdn.net/liulongling/article/details/50607802
http://www.importnew.com/21206.html
http://www.jasongj.com/java/threadlocal/
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