ThreadLocal 详解，超级详细

什么是 ThreadLocal？

ThreadLocal 诞生于 JDK 1.2，用于解决多线程间的数据隔离问题。也就是说 ThreadLocal 会为每一个线程创建一个单独的变量副本。

ThreadLocal 有什么用？

ThreadLocal 最典型的使用场景有两个：

• ThreadLocal 可以用来管理 Session，因为每个人的信息都是不一样的，所以就很适合用 ThreadLocal 来管理；
• 数据库连接，为每一个线程分配一个独立的资源，也适合用 ThreadLocal 来实现。

其中，ThreadLocal 也被用在很多大型开源框架中，比如 Spring 的事务管理器，还有 Hibernate 的 Session 管理等，既然 ThreadLocal 用途如此广泛，那接下来就让我们共同看看 ThreadLocal 要怎么用？ThreadLocal 使用中要注意什么？以及 ThreadLocal 的存储原理等，一起来看吧。

ThreadLocal 基础使用

ThreadLocal 常用方法有 set(T)、get()、remove() 等，具体使用请参考以下代码。

public class ThreadLocalTest {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
        // 存值
        threadLocal.set(Arrays.asList("Java日知录", "Java 面试题"));
        // 取值
        List list = (List) threadLocal.get();
        System.out.println(list.size());
        System.out.println(threadLocal.get());

        //删除值
        threadLocal.remove();
        System.out.println(threadLocal.get());
    }
}

以上程序执行结果如下：

2 [Java日知录, Java 面试题] null

ThreadLocal 所有方法，如下图所示：

ThreadLocal 数据共享

既然 ThreadLocal 设计的初衷是解决线程间信息隔离的，那 ThreadLocal 能不能实现线程间信息共享呢？
答案是肯定的，只需要使用 ThreadLocal 的子类 InheritableThreadLocal 就可以轻松实现，来看具体实现代码：

public class InheritableThreadLocalTest {
  public static void main(String[] args) {
    ThreadLocal inheritableThreadLocal = new InheritableThreadLocal();
    inheritableThreadLocal.set("Java日知录");
    new Thread(() -> System.out.println(inheritableThreadLocal.get())).start();
  }
}

以上程序执行结果如下：

Java日知录

从以上代码可以看出，主线程和新创建的线程之间实现了信息共享。

ThreadLocal 高级用法

内存溢出代码演示

下面我们用代码实现 ThreadLocal 内存溢出的情况，请参考以下代码。

public class ThreadLocalOomTest {
    static ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
    static Integer MOCK_MAX = 10000;
    static Integer THREAD_MAX = 100;

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_MAX);
        for (int i = 0; i < THREAD_MAX; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                threadLocal.set(new ThreadLocalOomTest().getList());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            });
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        executorService.shutdown();
    }

    List getList() {
        List list = new ArrayList();
        for (int i = 0; i < MOCK_MAX; i++) {
            list.add("Version：JDK 11");
            list.add("ThreadLocal");
            list.add("Author：Java日知录");
            list.add("DateTime：" + LocalDateTime.now());
            list.add("Test：ThreadLocal OOM");
        }
        return list;
    }
}

设置 JVM（Java 虚拟机）启动参数 -Xmx=100m （最大运行内存 100 M），运行程序不久后就会出现如下异常：

此时我们用 VisualVM 观察到程序运行的内存使用情况，发现内存一直在缓慢地上升直到内存超出最大值，从而发生内存溢出的情况。

内存使用情况，如下图所示：

内存溢出原理分析

在开始之前，先来看下 ThreadLocal 是如何存储数据的。
首先，找到 ThreadLocal.set() 的源码，代码如下（此源码基于 JDK 8）：

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

可以看出 ThreadLocal 首先获取到 ThreadLocalMap 对象，然后再执行 ThreadLocalMap.set() 方法，进而打开此方法的源码，代码如下：

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 == 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();
}

从整个代码可以看出，首先 ThreadLocal 并不存储数据，而是依靠 ThreadLocalMap 来存储数据，ThreadLocalMap 中有一个 Entry 数组，每个 Entry 对象是以 K/V 的形式对数据进行存储的，其中 K 就是 ThreadLocal 本身，而 V就是要存储的值，如下图所示：

可以看出：一个 Thread 中只有一个 ThreadLocalMap，每个 ThreadLocalMap 中存有多个ThreadLocal，ThreadLocal 引用关系如下：

其中：实线代表强引用，虚线代表弱引用（弱引用具有更短暂的生命周期，在执行垃圾回收时，一旦发现只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存）。

看到这里我们就理解了 ThreadLocal 造成内存溢出的原因：如果 ThreadLocal 没有被直接引用（外部强引用），在 GC（垃圾回收）时，由于ThreadLocalMap 中的 key 是弱引用，所以一定就会被回收，这样一来 ThreadLocalMap 中就会出现 key 为 null 的Entry，并且没有办法访问这些数据，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 并且永远无法回收，从而造成内存泄漏。

ThreadLocal 的正确使用方法

既然已经知道了 ThreadLocal 内存溢出的原因，那解决办法就很清晰了，只需要在使用完 ThreadLocal 之后，调用remove()方法，清除掉 ThreadLocalMap 中的无用数据就可以了。

正确使用的完整示例代码如下：

public class ThreadLocalOomTest2 {
    static ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
    static Integer MOCK_MAX = 10000;
    static Integer THREAD_MAX = 100;

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_MAX);
        for (int i = 0; i < THREAD_MAX; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                threadLocal.set(new ThreadLocalOomTest2().getList());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                // 移除对象
                threadLocal.remove();
            });
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        executorService.shutdown();
    }

    List getList() {
        List list = new ArrayList();
        for (int i = 0; i < MOCK_MAX; i++) {
            list.add("Version：JDK 8");
            list.add("ThreadLocal");
            list.add("Author：Java日知录");
            list.add("DateTime：" + LocalDateTime.now());
            list.add("Test：ThreadLocal OOM");
        }
        return list;
    }
}

可以看出核心代码，我们添加了一句 threadLocal.remove() 命令就解决了内存溢出的问题，这个时候运行代码观察，发现内存的值一直在一个固定的范围内，如下图所示：

这样就解决了 ThreadLocal 内存溢出的问题了。

相关面试题

1.ThreadLocal 为什么是线程安全的？

答：ThreadLocal 为每一个线程维护变量的副本，把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，因此 ThreadLocal是线程安全的，每个线程都有属于自己的变量。

2.ThreadLocal 如何共享数据？

答：通过 ThreadLocal 的子类 InheritableThreadLocal 可以天然的支持多线程间的信息共享。

3.以下程序打印的结果是 true 还是 false？

public class ThreadLocalTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal = new InheritableThreadLocal();
        threadLocal.set("Java日知录");
        ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal();
        threadLocal2.set("Java日知录");
        new Thread(() -> {
            System.out.println(threadLocal.get().equals(threadLocal2.get()));
        }).start();
    }
}

答：false。

题目分析：因为 threadLocal 使用的是 InheritableThreadLocal（共享本地线程），所以 threadLocal.get() 结果为 Java日知录 ，而 threadLocal2 使用的是 ThreadLocal，因此在新线程中 threadLocal2.get() 的结果为null ，因而它们比较的最终结果为 false。

4.ThreadLocal 为什么会发生内存溢出？

答：ThreadLocal 造成内存溢出的原因：如果 ThreadLocal 没有被直接引用（外部强引用），在 GC（垃圾回收）时，由于ThreadLocalMap 中的 key 是弱引用，所以一定就会被回收，这样一来 ThreadLocalMap 中就会出现 key 为 null 的Entry，并且没有办法访问这些数据，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 并且永远无法回收，从而造成内存泄漏。

5.解决 ThreadLocal 内存溢出的关键代码是什么？

答：关键代码为 threadLocal.remove() ，使用完 ThreadLocal 之后，调用remove() 方法，清除掉 ThreadLocalMap 中的无用数据就可以避免内存溢出了。

6.ThreadLocal 和 Synchonized 有什么区别？

答：ThreadLocal 和 Synchonized 都用于解决多线程并发访问，防止任务在共享资源上产生冲突，但是 ThreadLocal 与 Synchronized 有本质的区别。

Synchronized 用于实现同步机制，是利用锁的机制使变量或代码块在某一时刻只能被一个线程访问，是一种 “以时间换空间” 的方式；而 ThreadLocal 为每一个线程提供了独立的变量副本，这样每个线程的（变量）操作都是相互隔离的，这是一种 “以空间换时间”的方式。

总结

ThreadLocal 的主要方法是 set(T) 和 get()，用于多线程间的数据隔离，ThreadLocal 也提供了 InheritableThreadLocal 子类，用于实现多线程间的数据共享。但使用 ThreadLocal 一定要注意用完之后使用 remove()清空 ThreadLocal，不然会操作内存溢出的问题。

作者：架构师修炼
链接：https://www.toutiao.com/article/6826526119072629255