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Java 之 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());
    }
}复制代码

运行结果:

strLabel = child
threadLabel = main复制代码

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);
}复制代码

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();
}复制代码

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;
}
...复制代码

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);
}复制代码

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。

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);
}
...复制代码

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:

public class Thread implements Runnable {
    ...
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ...
}复制代码

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);
}复制代码

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。

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;
}复制代码

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;
    }
}复制代码

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
}复制代码

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);
}复制代码

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();
}复制代码

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);
}复制代码

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;
}复制代码

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;
        }
    }
}复制代码

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。

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