Java并发-ThreadLocal

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简介

ThreadLocal并非是一个线程的本地实现版本，它并不是一个Thread，而是threadlocalvariable(线程局部变量)。

线程局部变量(ThreadLocal)的功用就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本，是Java中一种较为特殊的线程绑定机制，每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会和其它线程的副本冲突。

从线程的角度看，每个线程都保持一个对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收（除非存在对这些副本的其他引用）。

通过ThreadLocal存取的数据，总是与当前线程相关，也就是说，JVM 为每个运行的线程，绑定了私有的本地实例存取空间，从而为多线程环境常出现的并发访问问题提供了一种隔离机制。

ThreadLocal是如何做到为每一个线程维护变量的副本的呢？

实现思路很简单，在ThreadLocal类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量的副本。
概括起来说，对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

内部结构

ThreadLocal内部结构

实现原理

ThreadLocal类图结构

从上面ThreadLocal类图结构可知，Thread类中有两个变量threadLocals和inheritableThreadLocals，二者都是ThreadLocal内部类ThreadLocalMap类型的变量。
通过查看内部类ThreadLocalMap可以发现实际上它类似于一个HashMap。在默认情况下，每个线程中的这两个变量都为null，只有当线程第一次调用ThreadLocal的set或者get方法的时候才会创建他们。

ThreadLocal示意图

每个线程的本地变量不是存放在ThreadLocal实例中，而是放在调用线程的ThreadLocals变量里面，也就是说，ThreadLocal类型的本地变量是存放在具体的线程空间上，其本身相当于一个装载本地变量的工具壳，通过set方法将value添加到调用线程的threadLocals中，当调用线程调用get方法时候能够从它的threadLocals中取出变量。如果调用线程一直不终止，那么这个本地变量将会一直存放在他的threadLocals中，所以不使用本地变量的时候需要调用remove方法将threadLocals中删除不用的本地变量。

核心API

ThreadLocal类提供如下几个核心方法：

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public T get()
public void set(T value)
public void remove()

set方法

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public void set(T value) {
    //获取当前线程（调用者线程）
	Thread t = Thread.currentThread();
	//以当前线程作为key值，去查找对应的线程变量，找到对应的map
	ThreadLocalMap map = getMap(t);
	//如果map不为null，就直接添加本地变量，key为当前线程，值为添加的本地变量值
	if (map != null)
		map.set(this, value);
	//如果map为null，说明首次添加，需要首先创建出对应的map	
	else
		createMap(t, value);
}

/**
 *获取线程自己的变量threadLocals，并绑定到当前调用线程的成员变量threadLocals上
 */
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
	return t.threadLocals;
}

如果调用getMap方法返回值不为null，就直接将value值设置到threadLocals中（key为当前线程引用，值为本地变量）；
如果getMap方法返回null说明是第一次调用set方法（前面说到过，threadLocals默认值为null，只有调用set方法的时候才会创建map），这个时候就需要调用createMap方法创建threadLocals;

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void createMap(Thread t, T firstValue) {
	t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

createMap方法不仅创建了threadLocals，同时也将要添加的本地变量值添加到了threadLocals中。

get方法

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public T get() {
    //获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //获取当前线程的threadLocals变量
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //如果threadLocals变量不为null，就可以在map中查找到本地变量的值
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    //执行到此处，threadLocals为null，调用该更改初始化当前线程的threadLocals变量
    return setInitialValue();
}

private T setInitialValue() {
    //protected T initialValue() {return null;}
    T value = initialValue();
    //获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //以当前线程作为key值，去查找对应的线程变量，找到对应的map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //如果map不为null，就直接添加本地变量，key为当前线程，值为添加的本地变量值
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    //如果map为null，说明首次添加，需要首先创建出对应的map
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

在get方法的实现中，首先获取当前调用者线程，如果当前线程的threadLocals不为null，就直接返回当前线程绑定的本地变量值，否则执行setInitialValue方法初始化threadLocals变量。
在setInitialValue方法中，类似于set方法的实现，都是判断当前线程的threadLocals变量是否为null，是则添加本地变量（这个时候由于是初始化，所以添加的值为null），否则创建threadLocals变量，同样添加的值为null。

remove方法

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public void remove() {
    //获取当前线程绑定的threadLocals
     ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
     //如果map不为null，就移除当前线程中指定ThreadLocal实例的本地变量
     if (m != null)
         m.remove(this);
 }

remove方法判断该当前线程对应的threadLocals变量是否为null，不为null就直接删除当前线程中指定的threadLocals变量。

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap类图

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。

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/**
 * 是继承自WeakReference的一个类，该类中实际存放的key是
 * 指向ThreadLocal的弱引用和与之对应的value值(该value值
 * 就是通过ThreadLocal的set方法传递过来的值)
 * 由于是弱引用，当get方法返回null的时候意味着坑能引用
 */
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** value就是和ThreadLocal绑定的 */
    Object value;

    //k：ThreadLocal的引用，被传递给WeakReference的构造方法
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}
//WeakReference构造方法(public class WeakReference<T> extends Reference<T> )
public WeakReference(T referent) {
    super(referent); //referent：ThreadLocal的引用
}

//Reference构造方法     
Reference(T referent) {
    this(referent, null);//referent：ThreadLocal的引用
}

Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
    this.referent = referent;
    this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
}

从上面的代码可以看出，当前ThreadLocal的引用k被传递给WeakReference的构造函数，所以ThreadLocalMap中的key为ThreadLocal的弱引用。当一个线程调用ThreadLocal的set方法设置变量的时候，当前线程的ThreadLocalMap就会存放一个记录，这个记录的key值为ThreadLocal的弱引用，value就是通过set设置的值。如果当前线程一直存在且没有调用该ThreadLocal的remove方法，如果这个时候别的地方还有对ThreadLocal的引用，那么当前线程中的ThreadLocalMap中会存在对ThreadLocal变量的引用和value对象的引用，是不会释放的，就会造成内存泄漏。

考虑这个ThreadLocal变量没有其他强依赖，如果当前线程还存在，由于线程的ThreadLocalMap里面的key是弱引用，所以当前线程的ThreadLocalMap里面的ThreadLocal变量的弱引用在gc的时候就被回收，但是对应的value还是存在的这就可能造成内存泄漏(因为这个时候ThreadLocalMap会存在key为null但是value不为null的entry项)。

总结：THreadLocalMap中的Entry的key使用的是ThreadLocal对象的弱引用，在没有其他地方对ThreadLoca依赖，ThreadLocalMap中的ThreadLocal对象就会被回收掉，但是对应的不会被回收，这个时候Map中就可能存在key为null但是value不为null的项，这需要实际的时候使用完毕及时调用remove方法避免内存泄漏。

本文标题:Java并发-ThreadLocal

文章作者:王洪博

发布时间:2019年03月26日 - 16:03

最后更新:2019年09月26日 - 09:09

原始链接:http://whb1990.github.io/posts/94ca0535.html

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