ThreadLocal的使用及原理分析

1. 什么是ThreadLocal?

ThreadLocal称作线程本地存储。简单来说,就是ThreadLocal为共享变量在每个线程中都创建一个副本,每个线程可以访问自己内部的副本变量。这样做的好处是可以保证共享变量在多线程环境下访问的线程安全性

2. ThreadLocal的使用

引题:
在没有使用ThreadLocal的时候,定义了一个静态的成员变量num,然后通过构造5个线程对这个num做递增

private static Integer num=0;

public static void main(String[] args) {
    Thread[] threads=new Thread[5];
    for(int i=0;i<5;i++){
        threads[i]=new Thread(()->{
           num+=5;
           System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : "+num);
        },"Thread-"+i);
    }

    for(Thread thread:threads){
        thread.start();
    }
}

执行这个方法之后,你会发现每次的运行结果都是不一样的。

使用了ThreadLocal以后:

private static final ThreadLocal local=new ThreadLocal(){
      protected Integer initialValue(){
  //通过initialValue方法设置默认值
          return 0;
      }
  };

  public static void main(String[] args) {
      Thread[] threads=new Thread[5];
      for(int i=0;i<5;i++){
          threads[i]=new Thread(()->{
              int num=local.get().intValue();
              num+=5;
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : "+num);
          },"Thread-"+i);
      }

      for(Thread thread:threads){
          thread.start();
      }
  }

从结果可以看到,每个线程的值都是5,意味着各个线程之间都是独立的变量副本,彼此不相互影响.

ThreadLocal会给定一个初始值,也就是initialValue()方法,而每个线程都会从ThreadLocal中获得这个初始化的值的副本,这样可以使得每个线程都拥有一个副本拷贝。

从ThreadLocal的方法定义来看,就几个方法

  • get: 获取ThreadLocal中当前线程对应的线程局部变量
  • set:设置当前线程的线程局部变量的值
  • remove:将当前线程局部变量的值删除
  • initialValue 返回当前线程局部变量的初始值

源码基于JDK 1.8

get方法的实现

public T get() {
       // 当前执行的线程
       Thread t = Thread.currentThread();
       // 获得当前线程的ThreadLocalMap实例
       ThreadLocalMap map = getMap(t);
       // 如果map不为空,说明当前线程已经有了一个ThreadLocalMap实例
       if (map != null) {
    # 获取Entry
           ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
           if (e != null) {
               @SuppressWarnings("unchecked")
               T result = (T)e.value;
               return result;
           }
       }
       return setInitialValue();
   }

 /**
    * Variant of set() to establish initialValue. Used instead
    * of set() in case user has overridden the set() method.
    *
    * @return the initial value
    */
   private T setInitialValue() {
       T value = initialValue();
       Thread t = Thread.currentThread();
       ThreadLocalMap map = getMap(t);
       if (map != null)
            //如果map不为null,把初始化value设置进去
           map.set(this, value);
       else
           //如果map为null,则new一个map,并把初始化value设置进去
           createMap(t, value);
       return value;
   }

set方法的实现

public void set(T value) {

        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            // 直接将当前value设置到ThreadLocalMap中
            map.set(this, value);
        else
            // 说明当前线程是第一次使用线程本地变量,构造map
            createMap(t, value);
    }

从上面方法中,我们可以注意到有一个叫做ThreadLocalMap 的对象,它是做什么的呢?

ThreadLocalMap是一个静态内部类,内部定义了一个Entry对象用来真正存储数据

static class ThreadLocalMap {
        static class Entry extends WeakReference> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            Entry(ThreadLocal> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
        ThreadLocalMap(ThreadLocal> firstKey, Object firstValue) {
            //构造一个Entry数组,并设置初始大小
            table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
            //计算Entry数据下标
            int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
            //将`firstValue`存入到指定的table下标中
            table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
            size = 1;//设置节点长度为1
            setThreshold(INITIAL_CAPACITY); //设置扩容的阈值
        }
    //...省略部分代码
}

通过以上的代码我们又发现了新的大陆:

  • Entry继承了WeakReference,这个表示什么意思?
  • 在构造ThreadLocalMap的时候new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    key其实是this,this表示当前对象的引用,在当前的案例中,this指的是ThreadLocal local。那么多个线程对应同一个ThreadLocal实例,怎么对每一个ThreadLocal对象做区分呢?

weakReference表示弱引用,在Java中有四种引用类型,强引用、弱引用、软引用、虚引用。
使用弱引用的对象,不会阻止它所指向的对象被垃圾回收器回收。
对于下面的示例代码我们分析下:

DemoA a=new DemoA();
DemoB b=new DemoB(a);
a=null;

看似很正常的一段代码,但是将a对象的引用设置为null,当一个对象不再被其他对象引用的时候,是会被GC回收的,但是对于这个场景来说,即时是a=null,也不可能被回收,因为DemoB依赖DemoA,这个时候是可能造成内存泄漏的

接着看下面的代码

//方法1
DemoA a=new DemoA();
DemoB b=new DemoB(a);
a=null;
b=null;
//方法2
DemoA a=new DemoA();
WeakReference b=new WeakReference(a);
a=null;

对于方法2来说,DemoA只是被弱引用依赖,假设垃圾收集器在某个时间点决定一个对象是弱可达的(weakly reachable)(也就是说当前指向它的全都是弱引用),这时垃圾收集器会清除所有指向该对象的弱引用,然后把这个弱可达对象标记为可终结(finalizable)的,这样它随后就会被回收。

试想一下如果这里没有使用弱引用,意味着ThreadLocal的生命周期和线程是强绑定,只要线程没有销毁,那么ThreadLocal一直无法回收。而使用弱引用以后,当ThreadLocal被回收时,由于Entry的key是弱引用,不会影响ThreadLocal的回收防止内存泄漏,同时,在后续的源码分析中会看到,ThreadLocalMap本身的垃圾清理会用到这一个好处,方便对无效的Entry进行回收

ThreadLocalMap以this作为key
在构造ThreadLocalMap时,使用this作为key来存储,那么对于同一个ThreadLocal对象,如果同一个Thread中存储了多个值,是如何来区分存储的呢?
答案就在firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY – 1)
我们看下相关的源码

void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
/**
 * Construct a new map initially containing (firstKey, firstValue).
 * ThreadLocalMaps are constructed lazily, so we only create
 * one when we have at least one entry to put in it.
 */
 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);
}

关键点就在threadLocalHashCode,它相当于一个ThreadLocal的ID,实现的逻辑如下

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static AtomicInteger nextHashCode =
        new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

这里用到了一个非常完美的散列算法,可以简单理解为,对于同一个ThreadLocal下的多个线程来说,当任意线程调用set方法存入一个数据到Entry中的时候,其实会根据threadLocalHashCode生成一个唯一的id标识对应这个数据,存储在Entry数据下标中。

  • threadLocalHashCode是通过nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT)来实现的

i*HASH_INCREMENT+HASH_INCREMENT,每次新增一个元素(ThreadLocal)到Entry[],都会自增0x61c88647,目的为了让哈希码能均匀的分布在2的N次方的数组里

  • Entry[i]= hashCode & (length-1)

0x61c88647

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
    public static void main(String[] args) {
        magicHash(16); //初始大小16
        magicHash(32); //扩容一倍
    }

    private static void magicHash(int size){
        int hashCode = 0;
        for(int i=0;i

观察运行的结果找规律

魔数0x61c88647的选取和斐波那契散列有关,0x61c88647对应的十进制为1640531527。而斐波那契散列的乘数可以用(long) ((1L << 31) (Math.sqrt(5) – 1)); 如果把这个值给转为带符号的int,则会得到-1640531527。也就是说
(long) ((1L << 31) (Math.sqrt(5) – 1));得到的结果就是1640531527,也就是魔数0x61c88647

总结,我们用0x61c88647作为魔数累加为每个ThreadLocal分配各自的ID也就是threadLocalHashCode再与2的幂取模,得到的结果分布很均匀。

ThreadLocalMap.set(key,value)

private void set(ThreadLocal> key, Object value) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            // 根据哈希码和数组长度求元素放置的位置,即数组下标
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
             //从i开始往后一直遍历到数组最后一个Entry(线性探索)
            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                ThreadLocal> k = e.get();
                 //如果key相等,覆盖value
                if (k == key) {
                    e.value = value;
                    return;
                }
                 //如果key为null,用新key、value覆盖,同时清理历史key=null的陈旧数据
                if (k == null) {
                    replaceStaleEntry(key, value, i);
                    return;
                }
            }

            tab[i] = new Entry(key, value);
            int sz = ++size;
             //如果超过阀值,就需要扩容了
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                rehash();
        }

为了更直观的体现set方法的实现,通过一个图形表示如下

ThreadLocal的内存泄漏

ThreadLocalMap中Entry的key使用的是ThreadLocal的弱引用,如果一个ThreadLocal没有外部强引用,当系统执行GC时,这个ThreadLocal势必会被回收,这样一来,ThreadLocalMap中就会出现一个key为null的Entry,而这个key=null的Entry是无法访问的,当这个线程一直没有结束的话,那么就会存在一条强引用链

Thread Ref – > Thread -> ThreadLocalMap – > Entry -> value 永远无法回收而造成内存泄漏

其实我们从源码分析可以看到,ThreadLocalMap是做了防护措施的

  • 首先从ThreadLocal的直接索引位置(通过ThreadLocal.threadLocalHashCode & (len-1)运算得到)获取Entry e,如果e不为null并且key相同则返回e
  • 如果e为null或者key不一致则向下一个位置查询,如果下一个位置的key和当前需要查询的key相等,则返回对应的Entry,否则,如果key值为null,则擦除该位置的Entry,否则继续向下一个位置查询

在这个过程中遇到的key为null的Entry都会被擦除,那么Entry内的value也就没有强引用链,自然会被回收。仔细研究代码可以发现,set操作也有类似的思想,将key为null的这些Entry都删除,防止内存泄露。
但是这个设计一来与一个前提条件,就是调用get或者set方法,但是不是所有场景都会满足这个场景的,所以为了避免这类的问题,我们可以在合适的位置手动调用ThreadLocal的remove函数删除不需要的ThreadLocal,防止出现内存泄漏

所以建议的使用方法是

  • 将ThreadLocal变量定义成private static的,这样的话ThreadLocal的生命周期就更长,由于一直存在ThreadLocal的强引用,所以ThreadLocal也就不会被回收,也就能保证任何时候都能根据ThreadLocal的弱引用访问到Entry的value值,然后remove它,防止内存泄露
  • 每次使用完ThreadLocal,都调用它的remove()方法,清除数据

文章来源于互联网:ThreadLocal的使用及原理分析

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