Java - ThreadLocal详细讲解

ThreadLocal常用来做线程隔离，下面将对ThreadLocal的实现原理、设计理念、内部实现细节(Map、弱引用)、还有ThreadLocal存在的内存泄露问题进行讲解。

1. 内部结构图

• 内部结构

  
  image.png

• 引用逻辑图(虚线表示弱引用)

  
  

2. 原理概述

每个Thread里面维护了一个ThreadLocal.ThreadLocalMap变量，底层存储结构为Entry[]，ThreadLocal实例作为Map的key，set/get的值为Map的value，其中，key的引用为弱引用。当执行ThreadLocal.set时，实际是将ThreadLocal对象和值通过key-value的形式放进了Thread中的ThreadLocal.ThreadLocalMap中，完成了线程隔离存储，保证了线程安全。当线程持有多个ThreadLocal的操作时，会在Map中通过key进行寻找。

3. 实现细节

1. 为什么将Map放在每一个Thread里

应为如果将Map放在ThreadLocal中进行维护，即使使用ConcurrentHashMap减少并发竞争，但在形式上还是存在线程间的竞争，而放在各个线程中独立维护，就十分满足线程隔离的设计理念。

2. ThreadLocal.ThreadLocalMap 与 HashMap有什么不同

• 解决hash冲突方法不同
  HashMap采用的是数组加链表的结构进行存储，当出现hash冲突时，进行链表追加。而ThreadLocal.ThreadLocalMap采用的是开放定址法，即寻找下一个没有存储数据的位置。
  拓展: 解决hash冲突的方式1. 开放定址法 2. 再hash 3. 链地址法 4. 公共溢出区。
• 扩容机制不同
  当ThreadLocal.ThreadLocalMap的size大于数据1/2时，会扩容2倍。

3. 为什么Entry的key存储采用弱引用

当ThreadLocal没有引用时，ThreadLocal.ThreadLocalMap依旧存在于Thread中，而ThreadLocal对应的Entry永远不会被使用到，所以采用了弱引用，当ThreadLocal没有引用时，自动key就被GC回收。

4. 为什么Entry的value存储没有采用弱引用

我们存储的对象除了ThreadLocalMap的Value就没有其他的引用了，value一但是对象的弱引用，GC的时候被回收，对象就无法访问了，这显然不是我们想要的。

5. 为什么说ThreadLocal会有内存泄露问题，怎么解决

结合3来说，key被GC自动收回了，但是value还是留再Map中，而value将永远不会被访问到，造成内存泄露。

如何解决:

1. 在ThreadLocal不使用时，调用remove方法，将Entry从Map中移除，即可解决。
2. 对于Java8 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
   get方法会间接调用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

4. 参考

1. Java多线程编程-（9）-ThreadLocal造成OOM内存溢出案例演示与原理分析
2. 面试|再次讲解Threadlocal使用及其内存溢出