一文搞懂 ThreadLocal 原理

当多线程访问共享可变数据时，涉及到线程间同步的问题，并不是所有时候，都要用到共享数据，所以就需要线程封闭出场了。

数据都被封闭在各自的线程之中，就不需要同步，这种通过将数据封闭在线程中而避免使用同步的技术称为线程封闭。

本文主要介绍线程封闭中的其中一种体现：ThreadLocal，将会介绍什么是 ThreadLocal；从 ThreadLocal 源码角度分析，最后介绍 ThreadLocal 的应用场景。

什么是 ThreadLocal？

ThreadLocal 是 Java 里一种特殊变量，它是一个线程级别变量，每个线程都有一个 ThreadLocal 就是每个线程都拥有了自己独立的一个变量，竞态条件被彻底消除了，在并发模式下是绝对安全的变量。

可以通过 ThreadLocal<T> value = new ThreadLocal<T>(); 来使用。

会自动在每一个线程上创建一个 T 的副本，副本之间彼此独立，互不影响，可以用 ThreadLocal 存储一些参数，以便在线程中多个方法中使用，用以代替方法传参的做法。

下面通过例子来了解下 ThreadLocal：

public class ThreadLocalDemo {
    /**
     * ThreadLocal变量，每个线程都有一个副本，互不干扰
     */
    public static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new ThreadLocalDemo().threadLocalTest();
    }

    public void threadLocalTest() throws Exception {
        // 主线程设置值
        THREAD_LOCAL.set("wupx");
        String v = THREAD_LOCAL.get();
        System.out.println("Thread-0线程执行之前，" + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值：" + v);

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                String v = THREAD_LOCAL.get();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值：" + v);
                // 设置 threadLocal
                THREAD_LOCAL.set("huxy");
                v = THREAD_LOCAL.get();
                System.out.println("重新设置之后，" + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值为：" + v);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行结束");
            }
        }).start();
        // 等待所有线程执行结束
        Thread.sleep(3000L);
        v = THREAD_LOCAL.get();
        System.out.println("Thread-0线程执行之后，" + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值：" + v);
    }
}

首先通过 static final 定义了一个 THREAD_LOCAL 变量，其中 static 是为了确保全局只有一个保存 String 对象的 ThreadLocal 实例；final 确保 ThreadLocal 的实例不可更改，防止被意外改变，导致放入的值和取出来的不一致，另外还能防止 ThreadLocal 的内存泄漏。上面的例子是演示在不同的线程中获取它会得到不同的结果，运行结果如下：

Thread-0线程执行之前，main线程取到的值：wupx
Thread-0线程取到的值：null
重新设置之后Thread-0线程取到的值为：huxy
Thread-0线程执行结束
Thread-0线程执行之后，main线程取到的值：wupx

首先在 Thread-0 线程执行之前，先给 THREAD_LOCAL 设置为 wupx，然后可以取到这个值，然后通过创建一个新的线程以后去取这个值，发现新线程取到的为 null，意外着这个变量在不同线程中取到的值是不同的，不同线程之间对于 ThreadLocal 会有对应的副本，接着在线程 Thread-0 中执行对 THREAD_LOCAL 的修改，将值改为 huxy，可以发现线程 Thread-0 获取的值变为了 huxy，主线程依然会读取到属于它的副本数据 wupx，这就是线程的封闭。

看到这里，我相信大家一定会好奇 ThreadLocal 是如何做到多个线程对同一对象 set 操作，但是 get 获取的值还都是每个线程 set 的值呢，接下来就让我们进入源码解析环节：

ThreadLocal 源码解析

首先看下 ThreadLocal 都有哪些重要属性：

// 当前 ThreadLocal 的 hashCode，由 nextHashCode() 计算而来，用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
// 哈希魔数，主要与斐波那契散列法以及黄金分割有关
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
// 返回计算出的下一个哈希值，其值为 i * HASH_INCREMENT，其中 i 代表调用次数
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
// 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

其中的 HASH_INCREMENT 也不是随便取的，它转化为十进制是 1640531527，2654435769 转换成 int 类型就是 -1640531527，2654435769 等于 (√5-1)/2 乘以 2 的 32 次方。(√5-1)/2 就是黄金分割数，近似为 0.618，也就是说 0x61c88647 理解为一个黄金分割数乘以 2 的 32 次方，它可以保证 nextHashCode 生成的哈希值，均匀的分布在 2 的幂次方上，且小于 2 的 32 次方。

下面是 javaspecialists 中一篇文章对它的介绍：

This number represents the golden ratio (sqrt(5)-1) times two to the power of 31 ((sqrt(5)-1) * (2^31)). The result is then a golden number, either 2654435769 or -1640531527.

下面用例子来证明下：

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

public static void main(String[] args) throws Exception {
    int n = 5;
    int max = 2 << (n - 1);
    for (int i = 0; i < max; i++) {
        System.out.print(i * HASH_INCREMENT & (max - 1));
        System.out.print(" ");

    }
}

运行结果为：0 7 14 21 28 3 10 17 24 31 6 13 20 27 2 9 16 23 30 5 12 19 26 1 8 15 22 29 4 11 18 25

可以发现元素索引值完美的散列在数组当中，并没有出现冲突。

ThreadLocalMap

除了上述属性外，还有一个重要的属性 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类，当一个线程有多个 ThreadLocal 时，需要一个容器来管理多个 ThreadLocal，ThreadLocalMap 的作用就是管理线程中多个 ThreadLocal，源码如下：

static class ThreadLocalMap {
    /**
     * 键值对实体的存储结构
     */
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        // 当前线程关联的 value，这个 value 并没有用弱引用追踪
        Object value;

        /**
         * 构造键值对
         *
         * @param k k 作 key,作为 key 的 ThreadLocal 会被包装为一个弱引用
         * @param v v 作 value
         */
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }

    // 初始容量，必须为 2 的幂
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    // 存储 ThreadLocal 的键值对实体数组，长度必须为 2 的幂