线程私有变量ThreadLocal详解

烈火试真金，逆境试强者。——塞内加

什么是ThreadLocal
ThreadLocal 原理

set()方法
get()方法
remove()方法

ThreadLocal 的Hash算法
ThreadLocal 1.7和1.8的区别
ThreadLocal 的问题

ThreadLocal 内存泄露问题
ThreadLocal 父子线程继承

什么是ThreadLocal

首先看下ThreadLocal的使用示例：

public class ThreadLocalTest {
    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
 
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set("本地变量1");
            print("thread1");
            System.out.println("线程1的本地变量的值为:"+threadLocal.get());
        });
 
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set("本地变量2");
            print("thread2");
            System.out.println("线程2的本地变量的值为:"+threadLocal.get());
        });
 
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
 
    public static void print(String s){
        System.out.println(s+":"+threadLocal.get());
     
    }

执行结果如下

我们从 Thread 类讲起，在 Thread 类中有维护两个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 对象，分别是：threadLocals 和inheritableThreadLocals。

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

/*
 * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
 * maintained by the InheritableThreadLocal class.
 */
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

初始它们都为 null，只有在调用 ThreadLocal 类的 set 或 get 时才创建它们。ThreadLocalMap可以理解为线程私有的HashMap。

ThreadLoalMap是ThreadLocal中的一个静态内部类，类似HashMap的数据结构，但并没有实现Map接口。

ThreadLoalMap中初始化了一个大小16的Entry数组，Entry对象用来保存每一个key-value键值对。key是ThreadLocal对象。

Entry用来保存数据，而且还是继承的弱引用。在Entry内部使用ThreadLocal作为key，使用我们设置的value作为value。

ThreadLocal 原理

set()方法

当我们调用 ThreadLocal 的 set() 方法时实际是调用了当前线程的 ThreadLocalMap 的 set() 方法。ThreadLocal 的 set() 方法中，会进一步调用Thread.currentThread() 获得当前线程对象，然后获取到当前线程对象的ThreadLocal，判断是不是为空，为空就先调用creadMap()创建再set(value)创建 ThreadLocalMap 对象并添加变量。不为空就直接set(value) 。

这种保证线程安全的方式称为线程封闭。线程只能看到自己的ThreadLocal变量。线程之间是互相隔离的。

get()方法

其中get()方法用来获取与当前线程关联的ThreadLocal的值，如果当前线程没有该ThreadLocal的值，则调用initialValue函数获取初始值返回，所以一般我们使用时需要继承该函数，给出初始值（不重写的话默认返回Null）。

主要有以下几步：

获取当前的Thread对象，通过getMap获取Thread内的ThreadLocalMap
如果map已经存在，以当前的ThreadLocal为键，获取Entry对象，并从从Entry中取出值
否则，调用setInitialValue进行初始化。

/**
 * Returns the value in the current thread's copy of this
 * thread-local variable.  If the variable has no value for the
 * current thread, it is first initialized to the value returned
 * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
 *
 * @return the current thread's value of this thread-local
 */
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();
}

我们可以重写initialValue()，设置初始值。

    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>(){
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return Integer.valueOf(0);
        }
    }

remove()方法

最后一个需要探究的就是remove方法，它用于在map中移除一个不用的Entry。也是先计算出hash值，若是第一次没有命中，就循环直到null，在此过程中也会调用expungeStaleEntry清除空key节点。代码如下：

public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
}


/**
 * Remove the entry for key.
 */
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                if (e.get() == key) {
                    e.clear();
                    expungeStaleEntry(i);
                    return;
                }
            }
}

实际上 ThreadLocalMap 中使用的 key 为 ThreadLocal 的弱引用，弱引用的特点是，如果这个对象只存在弱引用，那么在下一次垃圾回收的时候必然会被清理掉。

所以如果 ThreadLocal 没有被外部强引用的情况下，在垃圾回收的时候会被清理掉的，这样一来 ThreadLocalMap中使用这个 ThreadLocal 的 key 也会被清理掉。但是，value 是强引用，不会被清理，这样一来就会出现 key 为 null 的 value。出现内存泄漏的问题。

在执行 ThreadLocal 的 set、remove、rehash 等方法时，它都会扫描 key 为 null 的 Entry，如果发现某个 Entry 的 key 为 null，则代表它所对应的 value 也没有作用了，所以它就会把对应的 value 置为 null，这样，value 对象就可以被正常回收了。但是假设 ThreadLocal 已经不被使用了，那么实际上 set、remove、rehash 方法也不会被调用，与此同时，如果这个线程又一直存活、不终止的话，那么刚才的那个调用链就一直存在，也就导致了 value 的内存泄漏。

ThreadLocal 的Hash算法

ThreadLocalMap类似HashMap，它有自己的Hash算法。

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
  
private static int nextHashCode() {
  return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
    
public final int getAndAdd(int delta) {
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

HASH_INCREMENT这个数字被称为斐波那契数 也叫 黄金分割数，带来的好处就是 hash 分布非常均匀。

每当创建一个ThreadLocal对象，这个ThreadLocal.nextHashCode 这个值就会增长 0x61c88647 。

讲到Hash就会涉及到Hash冲突，跟HashMap通过链地址法不同的是，ThreadLocal是通过线性探测法/开放地址法来解决hash冲突。

ThreadLocal 1.7和1.8的区别

ThreadLocal 1.7版本的时候，entry对象的key是Thread。

1.8版本entry的key是ThreadLocal。

1.8版本的好处：当Thread销毁的时候，ThreadLocalMap也会随之销毁，减少内存的使用。因为ThreadLocalMap是在Thread里面的，所以只要Thread消失了，那ThreadLocalMap就不复存在了。

ThreadLocal 的问题

ThreadLocal 内存泄露问题

在 ThreadLocalMap 中的 Entry 的 key 是对 ThreadLocal 的 WeakReference 弱引用，而 value 是强引用。当 ThreadLocalMap 的某 ThreadLocal 对象只被弱引用，GC 发生时该对象会被清理，此时 key 为 null，但 value 为强引用不会被清理。此时 value 将访问不到也不被清理掉就可能会导致内存泄漏。

注意构造函数里的第一行代码super(k)，这意味着ThreadLocal对象是一个弱引用

/**
 * The entries in this hash map extend WeakReference, using
 * its main ref field as the key (which is always a
 * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
 * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
 * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
 * as "stale entries" in the code that follows.
 */
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

因此我们使用完 ThreadLocal 后最好手动调用 remove() 方法。但其实在 ThreadLocalMap 的实现中以及考虑到这种情况，因此在调用 set()、get()、remove() 方法时，会清理 key 为 null 的记录。

为什么使用弱引用而不是强引用?

为什么采用了弱引用的实现而不是强引用呢？

注释上有这么一段话：为了协助处理数据比较大并且生命周期比较长的场景，hash table的条目使用了WeakReference作为key。

所以，弱引用反而是为了解决内存存储问题而专门使用的。

实际上，采用弱引用反而多了一层保障，ThreadLocal被清理后key为null，对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set、get，就算忘记调用 remove 方法，弱引用比强引用可以多一层保障。

所以，内存泄露的根本原因是是否手动清除操作，而不是弱引用。

ThreadLocal 父子线程继承

异步场景下无法给子线程共享父线程的线程副本数据，可以通过 InheritableThreadLocal 类解决这个问题。

它的原理就是子线程是通过在父线程中调用 new Thread() 创建的，在 Thread 的构造方法中调用了 Thread的init 方法，在 init 方法中父线程数据会复制到子线程（ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);）。

代码示例：

public class InheritableThreadLocalDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
        ThreadLocal<String> inheritableThreadLocal = new InheritableThreadLocal<>();
        threadLocal.set("父类数据:threadLocal");
        inheritableThreadLocal.set("父类数据:inheritableThreadLocal");

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("子线程获取父类threadLocal数据：" + threadLocal.get());
                System.out.println("子线程获取父类inheritableThreadLocal数据：" +inheritableThreadLocal.get());
            }
        }).start();
    }
}