ThreadLocal 详解
1. 概念
ThreadLocal 用于提供线程局部变量，在多线程环境可以保证各个线程里的变量独立于其它线程里的变量。也就是说 ThreadLocal 可以为每个线程创建一个【单独的变量副本】，相当于线程的 private static 类型变量。
ThreadLocal 的作用和同步机制有些相反：同步机制是为了保证多线程环境下数据的一致性；而 ThreadLocal 是保证了多线程环境下数据的独立性。
2. 使用示例
public class ThreadLocalTest {
private static String strLabel;
private static ThreadLocal<String> threadLabel = new ThreadLocal<>();
public static void main(String... args) {
strLabel = "main";
threadLabel.set("main");
Thread thread = new Thread() {
@Override
public void run() {
super.run();
strLabel = "child";
threadLabel.set("child");
}
};
thread.start();
try {
// 保证线程执行完毕
thread.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("strLabel = " + strLabel);
System.out.println("threadLabel = " + threadLabel.get());
}
}
运行结果：
strLabel = child
threadLabel = main
从运行结果可以看出，对于 ThreadLocal 类型的变量，在一个线程中设置值，不影响其在其它线程中的值。也就是说 ThreadLocal 类型的变量的值在每个线程中是独立的。
3. ThreadLocal 实现
ThreadLocal 是怎样保证其值在各个线程中是独立的呢？下面分析下 ThreadLocal 的实现。
ThreadLocal 是构造函数只是一个简单的无参构造函数，并且没有任何实现。
3.1 set(T value) 方法
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(T value) 方法中，首先获取当前线程，然后在获取到当前线程的 ThreadLocalMap，如果 ThreadLocalMap 不为 null，则将 value 保存到 ThreadLocalMap 中，并用当前 ThreadLocal 作为 key；否则创建一个 ThreadLocalMap 并给到当前线程，然后保存 value。
ThreadLocalMap 相当于一个 HashMap，是真正保存值的地方。
3.2 get() 方法
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();
}
同样的，在 get() 方法中也会获取到当前线程的 ThreadLocalMap，如果 ThreadLocalMap 不为 null，则把获取 key 为当前 ThreadLocal 的值；否则调用 setInitialValue() 方法返回初始值，并保存到新创建的 ThreadLocalMap 中。
3.3 initialValue() 方法：
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;
}
...
initialValue() 是 ThreadLocal 的初始值，默认返回 null，子类可以重写改方法，用于设置 ThreadLocal 的初始值。
3.4 remove() 方法：
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}
<mark>ThreadLocal 还有一个 remove() 方法，用来移除当前 ThreadLocal 对应的值。同样也是同过当前线程的 ThreadLocalMap 来移除相应的值。</mark>
3.5 当前线程的 ThreadLocalMap
在 set，get，initialValue 和 remove 方法中都会获取到当前线程，然后通过当前线程获取到 ThreadLocalMap，如果 ThreadLocalMap 为 null，则会创建一个 ThreadLocalMap，并给到当前线程。
...
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
...
<mark>可以看到，每一个线程都会持有有一个 ThreadLocalMap，用来维护线程本地的值：</mark>
public class Thread implements Runnable {
...
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
...
}
在使用 ThreadLocal 类型变量进行相关操作时，都会通过当前线程获取到 ThreadLocalMap 来完成操作。每个线程的 ThreadLocalMap 是属于线程自己的，ThreadLocalMap 中维护的值也是属于线程自己的。这就保证了 ThreadLocal 类型的变量在每个线程中是独立的，在多线程环境下不会相互影响。
4. ThreadLocalMap
4.1 构造方法
ThreadLocal 中当前线程的 ThreadLocalMap 为 null 时会使用 ThreadLocalMap 的构造方法新建一个 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);
}
<mark>构造方法中会新建一个数组，并将将第一次需要保存的键值存储到一个数组中，完成一些初始化工作。</mark>
4.2 存储结构
ThreadLocalMap 内部维护了一个哈希表（数组）来存储数据，并且定义了加载因子：
// 初始容量，必须是 2 的幂
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
// 存储数据的哈希表
private Entry[] table;
// table 中已存储的条目数
private int size = 0;
// 表示一个阈值，当 table 中存储的对象达到该值时就会扩容
private int threshold;
// 设置 threshold 的值
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}
table 是一个 Entry 类型的数组，Entry 是 ThreadLocalMap 的一个内部类。
4.3 存储对象 Entry
Entry 用于保存一个键值对，其中 key 以弱引用的方式保存：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
4.4 保存键值对
调用 set(ThreadLocal key, Object value) 方法将数据保存到哈希表中：
private void set(ThreadLocal key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 计算要存储的索引位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
// 循环判断要存放的索引位置是否已经存在 Entry，若存在，进入循环体
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal k = e.get();
// 若索引位置的 Entry 的 key 和要保存的 key 相等，则更新该 Entry 的值
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
// 若索引位置的 Entry 的 key 为 null（key 已经被回收了），表示该位置的 Entry 已经无效，用要保存的键值替换该位置上的 Entry
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
// 要存放的索引位置没有 Entry，将当前键值作为一个 Entry 保存在该位置
tab[i] = new Entry(key, value);
// 增加 table 存储的条目数
int sz = ++size;
// 清除一些无效的条目并判断 table 中的条目数是否已经超出阈值
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash(); // 调整 table 的容量，并重新摆放 table 中的 Entry
}
首先使用 key（当前 ThreadLocal）的 threadLocalHashCode 来计算要存储的索引位置 i。threadLocalHashCode 的值由 ThreadLocal 类管理，每创建一个 ThreadLocal 对象都会自动生成一个相应的 threadLocalHashCode 值，其实现如下：
// ThreadLocal 对象的 HashCode
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
// 使用 AtomicInteger 保证多线程环境下的同步
private static AtomicInteger nextHashCode =
new AtomicInteger();
// 每次创建 ThreadLocal 对象是 HashCode 的增量
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
// 计算 ThreadLocal 对象的 HashCode
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
在保存数据时，如果索引位置有 Entry，且该 Entry 的 key 为 null，那么就会执行清除无效 Entry 的操作，因为 Entry 的 key 使用的是弱引用的方式，key 如果被回收（即 key 为 null），这时就无法再访问到 key 对应的 value，需要把这样的无效 Entry 清除掉来腾出空间。
在调整 table 容量时，也会先清除无效对象，然后再根据需要扩容。
private void rehash() {
// 先清除无效 Entry
expungeStaleEntries();
// 判断当前 table 中的条目数是否超出了阈值的 3/4
if (size >= threshold - threshold / 4)
resize();
}
清除无用对象和扩容的方法这里就不再展开说明了。
4.5 获取 Entry 对象
取值是直接获取到 Entry 对象，使用 getEntry(ThreadLocal key) 方法：
private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
// 使用指定的 key 的 HashCode 计算索引位置
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
// 获取当前位置的 Entry
Entry e = table[i];
// 如果 Entry 不为 null 且 Entry 的 key 和 指定的 key 相等，则返回该 Entry
// 否则调用 getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) 方法
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
因为可能存在哈希冲突，key 对应的 Entry 的存储位置可能不在通过 key 计算出的索引位置上，也就是说索引位置上的 Entry 不一定是 key 对应的 Entry。所以需要调用 getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) 方法获取。
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 索引位置上的 Entry 不为 null 进入循环，为 null 则返回 null
while (e != null) {
ThreadLocal k = e.get();
// 如果 Entry 的 key 和指定的 key 相等，则返回该 Entry
if (k == key)
return e;
// 如果 Entry 的 key 为 null （key 已经被回收了），清除无效的 Entry
// 否则获取下一个位置的 Entry，循环判断
if (k == null)
expungeStaleEntry(i);
else
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}
4.6 移除指定的 Entry
private void remove(ThreadLocal key) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 使用指定的 key 的 HashCode 计算索引位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
// 循环判断索引位置的 Entry 是否为 null
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
// 若 Entry 的 key 和指定的 key 相等，执行删除操作
if (e.get() == key) {
// 清除 Entry 的 key 的引用
e.clear();
// 清除无效的 Entry
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}
4.7 内存泄漏
在 ThreadLocalMap 的 set()，get() 和 remove() 方法中，都有清除无效 Entry 的操作，这样做是为了降低内存泄漏发生的可能。
Entry 中的 key 使用了弱引用的方式，这样做是为了降低内存泄漏发生的概率，但不能完全避免内存泄漏。
这句话的意思好象是矛盾的，下面来分析一下。
假设 Entry 的 key 没有使用弱引用的方式，而是使用了强引用：由于 ThreadLocalMap 的生命周期和当前线程一样长，那么当引用 ThreadLocal 的对象被回收后，由于 ThreadLocalMap 还持有 ThreadLocal 和对应 value 的强引用，ThreadLocal 和对应的 value 是不会被回收的，这就导致了内存泄漏。所以 Entry 以弱引用的方式避免了 ThreadLocal 没有被回收而导致的内存泄漏，但是此时 value 仍然是无法回收的，依然会导致内存泄漏。
ThreadLocalMap 已经考虑到这种情况，并且有一些防护措施：在调用 ThreadLocal 的 get()，set() 和 remove() 的时候都会清除当前线程 ThreadLocalMap 中所有 key 为 null 的 value。这样可以降低内存泄漏发生的概率。所以我们在使用 ThreadLocal 的时候，每次用完 ThreadLocal 都调用 remove() 方法，清除数据，防止内存泄漏。
ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也独立实现。
和HashMap的最大的不同在于，ThreadLocalMap结构非常简单，没有next引用，也就是说ThreadLocalMap中解决Hash冲突的方式并非链表的方式，而是采用线性探测的方式。（ThreadLocalMap如何解决冲突？）
在ThreadLocalMap中，也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象，这点被Entry的构造方法已经限定死了。
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
<mark>注意了！！</mark>
Entry继承自WeakReference（<mark>弱引用，生命周期只能存活到下次GC前</mark>），但只有Key是弱引用类型的，Value并非弱引用。（<mark>问题马上就来了</mark>）
由于ThreadLocalMap的key是弱引用，而Value是强引用。这就导致了一个问题，ThreadLocal在没有外部对象强引用时，发生GC时弱引用Key会被回收，而Value不会回收。
当线程没有结束，但是ThreadLocal已经被回收，则可能导致线程中存在ThreadLocalMap<null, Object>的键值对，造成内存泄露。（<mark>ThreadLocal被回收，ThreadLocal关联的线程共享变量还存在</mark>）。
5 如何避免泄漏
为了防止此类情况的出现，我们有两种手段。
1、使用完线程共享变量后，显示调用ThreadLocalMap.remove方法清除线程共享变量；
既然Key是弱引用，那么我们要做的事，就是在调用ThreadLocal的get()、set()方法时完成后再调用remove方法，将Entry节点和Map的引用关系移除，这样整个Entry对象在GC Roots分析后就变成不可达了，下次GC的时候就可以被回收。
2、JDK建议ThreadLocal定义为private static，这样ThreadLocal的弱引用问题则不存在了。
京公网安备 11010502036488号