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并发编程之ThreadLocal深入理解

2020-12-11 23:46一角钱技术 JAVA教程

在日常的开发中,我们经常会遇到在当前运行线程中保存一些信息,并且各线程之间是隔离的,不会相互影响,不存在并发问题,通过这样的方式来实现请求调用链中方法之间参数传递的解耦,提升代码结构的稳定性等。Java Threa

 前言

在日常的开发中,我们经常会遇到在当前运行线程中保存一些信息,并且各线程之间是隔离的,不会相互影响,不存在并发问题,通过这样的方式来实现请求调用链中方法之间参数传递的解耦,提升代码结构的稳定性等。Java ThreadLocal就是用于实现这一目标的。在学习之前我们先带着以下几个问题:

  1. ThreadLocal 是什么?
  2. ThreadLocal 怎么用?
  3. ThreadLocal 和线程同步机制相比较?
  4. ThreadLocal 是如何实现线程隔离的呢?
  5. ThreadLocal 如何避免内存泄漏呢?
  6. ThreadLocal 与 Thread、ThreadLocalMap 之间的关系?

以下分析均基于JDK1.8。

什么是ThreadLocal

ThreadLocal,很多地方叫做线程本地变量,也有些地方叫做线程本地存储。

ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本,那么每个线程可以访问自己内部的副本变量,这样同时多个线程访问该变量并不会彼此相互影响,因此他们使用的都是自己从内存中拷贝过来的变量的副本,这样就不存在线程安全问题,也不会影响程序的执行性能。

注意:虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题,但是由于在每个线程中都创建了副本,所以要考虑它对资源的消耗,比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。

ThreadLocal 怎么用

通常使用静态的变量来维护ThreadLocal,如:

  1. static ThreadLocal<String> sThreadLocal = new ThreadLocal<String> 

会自动在每一个线程上创建一个 T 的副本,副本之间彼此独立,互不影响,可以用 ThreadLocal 存储一些参数,以便在线程中多个方法中使用,用以代替方法传参的做法。

通过一个例子来了解 ThreadLocal:

  1. package com.niuh.threadlocal; 
  2.  
  3. /** 
  4.  * <p> 
  5.  * ThreadLocal 示例 
  6.  * </p> 
  7.  */ 
  8. public class ThreadLocalDemo { 
  9.     /** 
  10.      * ThreadLocal变量,每个线程都有一个副本,互不干扰 
  11.      */ 
  12.     public static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>(); 
  13.  
  14.     public static void main(String[] args) throws Exception { 
  15.         new ThreadLocalDemo().threadLocalTest(); 
  16.     } 
  17.  
  18.     public void threadLocalTest() throws Exception { 
  19.         // 主线程设置值 
  20.         THREAD_LOCAL.set("一角钱技术"); 
  21.         String v = THREAD_LOCAL.get(); 
  22.         System.out.println("Thread-0线程执行之前," + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值:" + v); 
  23.  
  24.         new Thread(new Runnable() { 
  25.             @Override 
  26.             public void run() { 
  27.                 String v = THREAD_LOCAL.get(); 
  28.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值:" + v); 
  29.                 // 设置 threadLocal 
  30.                 THREAD_LOCAL.set("一角钱技术2020"); 
  31.                 v = THREAD_LOCAL.get(); 
  32.                 System.out.println("重新设置之后," + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值为:" + v); 
  33.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行结束"); 
  34.             } 
  35.         }).start(); 
  36.         // 等待所有线程执行结束 
  37.         Thread.sleep(3000L); 
  38.         v = THREAD_LOCAL.get(); 
  39.         System.out.println("Thread-0线程执行之后," + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值:" + v); 
  40.     } 

首先通过 static final 定义了一个 THREAD_LOCAL 变量,其中 static 是为了确保全局只有一个保存 String 对象的 ThreadLocal 实例;final 确保 ThreadLocal 的实例不可更改,防止被意外改变,导致放入的值和取出来的不一致,另外还能防止 ThreadLocal 的内存泄漏。上面的例子是演示在不同的线程中获取它会得到不同的结果,运行结果如下:

  1. Thread-0线程执行之前,main线程取到的值:一角钱技术 
  2. Thread-0线程取到的值:null 
  3. 重新设置之后,Thread-0线程取到的值为:一角钱技术2020 
  4. Thread-0线程执行结束 
  5. Thread-0线程执行之后,main线程取到的值:一角钱技术 

  • 首先在 Thread-0 线程执行之前,先给 THREAD_LOCAL 设置为 一角钱技术,然后可以取到这个值;
  • 然后通过创建一个新的线程以后去取这个值,发现新线程取到的为 null,意味着这个变量在不同线程中取到的值是不同的,不同线程之间对于 ThreadLocal 会有对应的副本;
  • 接着在线程 Thread-0 中执行对 THREAD_LOCAL 的修改,将值改为 一角钱技术2020,可以发现线程 Thread-0 获取的值变为了 一角钱技术2020,主线程依然会读取到属于它的副本数据 一角钱技术,这就是线程的封闭。

看到这里,我相信大家一定会好奇 ThreadLocal 是如何做到多个线程对同一对象 set 操作,但是 get 获取的值还都是每个线程 set 的值呢。

ThreadLocal和线程同步机制相比较

ThreadLocal和线程同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

在同步机制中,通过对象的锁机制保证同一时间只有一个线程访问变量。这时该变量是多个线程共享的,使用同步机制要求程序慎密地分析什么时候对变量进行读写,什么时候需要锁定某个对象,什么时候释放对象锁等繁杂的问题,程序设计和编写难度相对较大。

而ThreadLocal则从另一个角度来解决多线程的并发访问。ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。因为每一个线程都拥有自己的变量副本,从而也就没有必要对该变量进行同步了。ThreadLocal提供了线程安全的共享对象,在编写多线程代码时,可以把不安全的变量封装进ThreadLocal。

总的来说,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。

ThreadLocal源码解析

并发编程之ThreadLocal深入理解

成员变量

  1. // 当前 ThreadLocal 的 hashCode,由 nextHashCode() 计算而来 
  2. // 用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置 
  3. private final int threadLocalHashCode = nextHashCode(); 
  4. // 哈希魔数,主要与斐波那契散列法以及黄金分割有关 
  5. private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647; 
  6. // 返回计算出的下一个哈希值,其值为 i * HASH_INCREMENT,其中 i 代表调用次数 
  7. private static int nextHashCode() { 
  8.     return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT); 
  9. // 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的 
  10. private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger(); 

其中的 HASH_INCREMENT 也不是随便取的,它转化为十进制是 1640531527,2654435769 转换成 int 类型就是 -1640531527,2654435769 等于 (√5-1)/2 乘以 2 的 32 次方。(√5-1)/2 就是黄金分割数,近似为 0.618,也就是说 0x61c88647 理解为一个黄金分割数乘以 2 的 32 次方,它可以保证 nextHashCode 生成的哈希值,均匀的分布在 2 的幂次方上,且小于 2 的 32 次方。

下面是 javaspecialists 中一篇文章对它的介绍:

  • This number represents the golden ratio (sqrt(5)-1) times two to the power of 31 ((sqrt(5)-1) * (2^31)). The result is then a golden number, either 2654435769 or -1640531527.

下面用例子来证明下:

  1. private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647; 
  2.  
  3. public static void main(String[] args) throws Exception { 
  4.     int n = 5; 
  5.     int max = 2 << (n - 1); 
  6.     for (int i = 0; i < max; i++) { 
  7.         System.out.print(i * HASH_INCREMENT & (max - 1)); 
  8.         System.out.print(" "); 
  9.  
  10.     } 

运行结果为:0 7 14 21 28 3 10 17 24 31 6 13 20 27 2 9 16 23 30 5 12 19 26 1 8 15 22 29 4 11 18 25

可以发现元素索引值完美的散列在数组当中,并没有出现冲突。

内部类ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类,当一个线程有多个 ThreadLocal 时,需要一个容器来管理多个 ThreadLocal,ThreadLocalMap 的作用就是管理线程中多个 ThreadLocal。

ThreadLocalMap 其实就是一个简单的 Map 结构,底层是数组,有初始化大小,也有扩容阈值大小,数组的元素是 Entry。

ThreadLocalMap的数据结构是一个用数组表示的环,数组长度必须是2的次幂,同样通过hash方式确定节点在数组中的下标(hash值是ThreadLocal的递增变量,而不是hashcode值),对于hash冲突的情况,采用线性探测法,直接将元素防止对应下标后面的下一个空闲单元。

ThreadLocalMap的key采用的是弱引用WeakReference,因此在使用过程中还需要注意及时清理key已经被gc回收的节点,及时释放无效空间。

关于弱引用可以查看《Java基础 |强引用、弱引用、软引用、虚引用》

成员属性

  1. // 初始容量,必须为 2 的幂 
  2. private static final int INITIAL_CAPACITY = 16; 
  3.  
  4. // 存储 ThreadLocal 的键值对实体数组,长度必须为 2 的幂 
  5. private Entry[] table
  6.  
  7. // ThreadLocalMap 元素数量 
  8. private int size = 0; 
  9.  
  10. //扩容的阈值,默认是数组大小的三分之二 
  11. private int threshold; // Default to 0 

Entry类

Entry是ThreadLocalMap的内部类,用来表示其中的节点,继承了弱引用WeadReference类。

  1. // 键值对实体的存储结构 
  2. static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { 
  3.     // 当前线程关联的 value,这个 value 并没有用弱引用追踪 
  4.     Object value; 
  5.     /** 
  6.   * 构造键值对 
  7.      * 
  8.   * @param k k 作 key,作为 key 的 ThreadLocal 会被包装为一个弱引用 
  9.   * @param v v 作 value 
  10.   */   
  11.     Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { 
  12.         super(k); 
  13.         value = v; 
  14.     } 

Entry 的 key 就是 ThreadLocal 的引用,value 是 ThreadLocal 的值。同时,Entry也继承WeakReference,所以说Entry所对应key(ThreadLocal实例)的引用是一个弱引用。

  • 弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够与否,都会回收它的内存。不过,由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程,因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

构造方法

1.ThreadLocalMap 提供了两个构造方法:

  1. ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) { 
  2.     table = new Entry[INITIAL_CAPACITY]; 
  3.     int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1); 
  4.     table[i] = new Entry(firstKey, firstValue); 
  5.     size = 1; 
  6.     setThreshold(INITIAL_CAPACITY); 

  • 根据第一个节点的key和value初始化map。
  • 初始化数组,确定节点在数组的下标,初始化table[i],设置size和threshold。
  • 进行散列的hash值是ThreadLocal的threadLocalHashCode,递增生成。

2.ThreadLocalMap#ThreadLocalMap(ThreadLocalMap)

  1. private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) { 
  2.     Entry[] parentTable = parentMap.table
  3.     int len = parentTable.length; 
  4.     setThreshold(len); 
  5.     table = new Entry[len]; 
  6.  
  7.     for (int j = 0; j < len; j++) { 
  8.         Entry e = parentTable[j]; 
  9.         if (e != null) { 
  10.             @SuppressWarnings("unchecked"
  11.             ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get(); 
  12.             if (key != null) { 
  13.                 Object value = key.childValue(e.value); 
  14.                 Entry c = new Entry(key, value); 
  15.                 int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1); 
  16.                 while (table[h] != null
  17.                     h = nextIndex(h, len); 
  18.                 table[h] = c; 
  19.                 size++; 
  20.             } 
  21.         } 
  22.     } 

初始化数组和threshold,遍历节点加入数组。

擦除机制

ThreadLocalMap中内部类Entry,继承了WeakReference,其key值是弱引用类型,在没有强引用时会被gc回收,因此ThreadLocalMap要及时对这部分过期节点进行擦除。

1.ThreadLocalMap#expungeStaleEntry(int)

  1. private int expungeStaleEntry(int staleSlot) { 
  2.     Entry[] tab = table
  3.     int len = tab.length; 
  4.  
  5.     // expunge entry at staleSlot 
  6.     tab[staleSlot].value = null
  7.     tab[staleSlot] = null
  8.     size--; 
  9.  
  10.     // Rehash until we encounter null 
  11.     Entry e; 
  12.     int i; 
  13.     for (i = nextIndex(staleSlot, len); 
  14.          (e = tab[i]) != null
  15.          i = nextIndex(i, len)) { 
  16.         ThreadLocal<?> k = e.get(); 
  17.         if (k == null) { 
  18.             e.value = null
  19.             tab[i] = null
  20.             size--; 
  21.         } else { 
  22.             int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1); 
  23.             if (h != i) { 
  24.                 tab[i] = null
  25.  
  26.                 // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until 
  27.                 // null because multiple entries could have been stale. 
  28.                 while (tab[h] != null
  29.                     h = nextIndex(h, len); 
  30.                 tab[h] = e; 
  31.             } 
  32.         } 
  33.     } 
  34.     return i; 

擦除staleSlot处的无效节点,同时扫描处于staleSlot + 1 – 下一个null节点之间的节点,对于过期节点进行擦除,有效节点rehash,判断是否需要修改位置。

2.ThreadLocalMap#expungeStaleEntries()

  1. private void expungeStaleEntries() { 
  2.     Entry[] tab = table
  3.     int len = tab.length; 
  4.     for (int j = 0; j < len; j++) { 
  5.         Entry e = tab[j]; 
  6.         if (e != null && e.get() == null
  7.             expungeStaleEntry(j); 
  8.     } 

全量扫描擦除,遍历数组中的所有节点,对于过期节点调用擦除方法expungeStaleEntry进行擦除。

3.ThreadLocalMap#cleanSomeSlots(int i, int n)

  1. private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) { 
  2.     boolean removed = false
  3.     Entry[] tab = table
  4.     int len = tab.length; 
  5.     do { 
  6.         i = nextIndex(i, len); 
  7.         Entry e = tab[i]; 
  8.         if (e != null && e.get() == null) { 
  9.             n = len; 
  10.             removed = true
  11.             i = expungeStaleEntry(i); 
  12.         } 
  13.     } while ( (n >>>= 1) != 0); 
  14.     return removed; 

启发式扫描擦除。从 i+1 开始扫描检查,如果连续log n个单元不需要擦除则结束方法,否则找到一个过期节点,重置计数,将n置为数组长度,重新开始新一轮的扫描。只有扫描过程中有一个过期节点,则认为擦除成功,返回true。

ThreadLocalMap#getEntry(ThreadLocal)

  1. /** 
  2.  * 返回 key 关联的键值对实体 
  3.  * 
  4.  * @param key threadLocal 
  5.  * @return 
  6.  */ 
  7. private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { 
  8.     int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); 
  9.     Entry e = table[i]; 
  10.     // 若 e 不为空,并且 e 的 ThreadLocal 的内存地址和 key 相同,直接返回 
  11.     if (e != null && e.get() == key) { 
  12.         return e; 
  13.     } else { 
  14.         // 碰撞查找,从 i 开始向后遍历找到键值对实体 
  15.         return getEntryAfterMiss(key, i, e); 
  16.     } 

我们再来看一下getEntryAfterMiss方法:

  1. private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> keyint i, Entry e) { 
  2.     Entry[] tab = table
  3.     int len = tab.length; 
  4.  
  5.     while (e != null) { 
  6.         ThreadLocal<?> k = e.get(); 
  7.         if (k == key
  8.             return e; 
  9.         if (k == null
  10.             expungeStaleEntry(i); 
  11.         else 
  12.             i = nextIndex(i, len); 
  13.         e = tab[i]; 
  14.     } 
  15.     return null

用于在查找节点时没有直接命中的情况下进行线性的碰撞查找,对照查找过程中的过期节点,进行擦除。

ThreadLocalMap#remove(ThreadLocal)

  1. private void remove(ThreadLocal<?> key) { 
  2.     Entry[] tab = table
  3.     int len = tab.length; 
  4.     int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); 
  5.     for (Entry e = tab[i]; 
  6.          e != null
  7.          e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { 
  8.         if (e.get() == key) { 
  9.             e.clear(); 
  10.             expungeStaleEntry(i); 
  11.             return
  12.         } 
  13.     } 

根据key值移除节点。找到节点后不是简单的将该节点置为null,还需要调用擦除方法,不然该节点后面的hash冲突节点会无法通过getEntry获取到。

ThreadLocalMap#set(ThreadLocal, Object)

调用set() 时,会把当前 threadLocal 对象作为 key,想要保存的对象作为 value,存入 map。用于增加或覆盖节点,类似于Map接口的put方法。

  1. /** 
  2.  * 在 map 中存储键值对<key, value> 
  3.  * 
  4.  * @param key   threadLocal 
  5.  * @param value 要设置的 value 值 
  6.  */ 
  7. private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) { 
  8.  Entry[] tab = table
  9.  int len = tab.length; 
  10.  // 计算 key 在数组中的下标 
  11.  int i = key.threadLocalHashCode & (len - 1); 
  12.  // 遍历一段连续的元素,以查找匹配的 ThreadLocal 对象 
  13.  for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { 
  14.   // 获取该哈希值处的ThreadLocal对象 
  15.   ThreadLocal<?> k = e.get(); 
  16.  
  17.   // 键值ThreadLocal匹配,直接更改map中的value 
  18.   if (k == key) { 
  19.    e.value = value; 
  20.    return
  21.   } 
  22.  
  23.   // 若 key 是 null,说明 ThreadLocal 被清理了,直接替换掉 
  24.   if (k == null) { 
  25.    replaceStaleEntry(key, value, i); 
  26.    return
  27.   } 
  28.  } 
  29.  
  30.  // 直到遇见了空槽也没找到匹配的ThreadLocal对象,那么在此空槽处安排ThreadLocal对象和缓存的value 
  31.  tab[i] = new Entry(key, value); 
  32.  int sz = ++size
  33.  // 进行启发式擦除,节点数量大于阈值。如果右节点擦除成功,节点数量不可能大于阈值 
  34.  if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) { 
  35.   // 扩容的过程也是对所有的 key 重新哈希的过程 
  36.   rehash(); 
  37.  } 

我们依次来看看调用的几个方法:

1.ThreadLocalMap#replaceStaleEntry(ThreadLocal, Object, int)

  1. private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, 
  2.                                 int staleSlot) { 
  3.      Entry[] tab = table
  4.      int len = tab.length; 
  5.      Entry e; 
  6.  
  7.      // Back up to check for prior stale entry in current run. 
  8.      // We clean out whole runs at a time to avoid continual 
  9.      // incremental rehashing due to garbage collector freeing 
  10.      // up refs in bunches (i.e., whenever the collector runs). 
  11.      int slotToExpunge = staleSlot; 
  12.      for (int i = prevIndex(staleSlot, len); 
  13.           (e = tab[i]) != null
  14.           i = prevIndex(i, len)) 
  15.          if (e.get() == null
  16.              slotToExpunge = i; 
  17.  
  18.      // Find either the key or trailing null slot of run, whichever 
  19.      // occurs first 
  20.      for (int i = nextIndex(staleSlot, len); 
  21.           (e = tab[i]) != null
  22.           i = nextIndex(i, len)) { 
  23.          ThreadLocal<?> k = e.get(); 
  24.  
  25.          // If we find keythen we need to swap it 
  26.          // with the stale entry to maintain hash table order
  27.          // The newly stale slot, or any other stale slot 
  28.          // encountered above it, can then be sent to expungeStaleEntry 
  29.          // to remove or rehash all of the other entries in run. 
  30.          if (k == key) { 
  31.              e.value = value; 
  32.  
  33.              tab[i] = tab[staleSlot]; 
  34.              tab[staleSlot] = e; 
  35.  
  36.              // Start expunge at preceding stale entry if it exists 
  37.              if (slotToExpunge == staleSlot) 
  38.                  slotToExpunge = i; 
  39.              cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len); 
  40.              return
  41.          } 
  42.  
  43.          // If we didn't find stale entry on backward scan, the 
  44.          // first stale entry seen while scanning for key is the 
  45.          // first still present in the run. 
  46.          if (k == null && slotToExpunge == staleSlot) 
  47.              slotToExpunge = i; 
  48.      } 
  49.  
  50.      // If key not found, put new entry in stale slot 
  51.      tab[staleSlot].value = null
  52.      tab[staleSlot] = new Entry(key, value); 
  53.  
  54.      // If there are any other stale entries in run, expunge them 
  55.      if (slotToExpunge != staleSlot) 
  56.          cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len); 
  57.  } 

slotToExpunge 表示第一个过期节点

  • 从staleSlot向前扫描,扫描到第一个为null的节点截止,如果中间有过期节点,记录扫描过程中遇到的最后一个过期节点的下标为 slotToExpunge;
  • 从staleSlot向后扫描,扫描找到key值对应的节点或null节点截止:如果在 [从staleSlot向前扫描] 中没有找到过期节点,需要本次扫描中遇到的第一个过期节点的下标记录为 slotToExpunge ;如果找到来 key值对应的节点,覆盖后将该节点移到 staleSlot 处,并将该节点的原来的位置作为过期节点处理;如果没有找到节点,新建节点放置到 staleSlot 处。
  • 如果在两次扫描中找到了过期节点,先对该节点进行擦除,并调用启发式扫描擦除。

总体来说,假如 i 下标处的节点是 staleSlot 节点左边离得最近的null节点,j 下标处的节点是 staleSlot 节点右边离得最近的null节点,并且key值对应的节点作为过期节点处理。

那么该方法的功能就两段:

  • 将 key、value 组成节点放到 staleSlot 处;
  • 如果在(i — j)的序列中扫描到了过期节点,那么擦除该节点,并从该节点后的第一个null节点开始启发式擦除。

之所以需要向前扫描,是为了避免在扫描过程中对有效节点的rehash后出现由过期节点导致的hash冲突。

2.ThreadLocalMap#rehash()

  1. private void rehash() { 
  2.  expungeStaleEntries(); 
  3.  
  4.     // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis 
  5.  if (size >= threshold - threshold / 4) 
  6.   resize(); 

启动全局扫描擦除,擦除后再次判断是否需要扩容。之所以叫做rehash,可以理解成在全局扫描中所有的有效节点都需要重新hash确定位置。可以看到,并不是节点数量大于阈值后就会触发扩容,只有全局扫描擦除后数量仍大于阈值的3/4(容量的1/2)才会进行扩容。

3.ThreadLocalMap#resize()

  1. /** 
  2. * 扩容,重新计算索引,标记垃圾值,方便 GC 回收 
  3. */ 
  4. private void resize() { 
  5.  Entry[] oldTab = table
  6.  int oldLen = oldTab.length; 
  7.     // 新建一个数组,按照2倍长度扩容 
  8.  int newLen = oldLen * 2; 
  9.  Entry[] newTab = new Entry[newLen]; 
  10.  int count = 0; 
  11.  // 将旧数组的值拷贝到新数组上 
  12.  for (int j = 0; j < oldLen; ++j) { 
  13.   Entry e = oldTab[j]; 
  14.   if (e != null) { 
  15.    ThreadLocal<?> k = e.get(); 
  16.             // 若有垃圾值,则标记清理该元素的引用,以便GC回收 
  17.    if (k == null) { 
  18.     e.value = null; // Help the GC 
  19.    } else { 
  20.                 // 计算 ThreadLocal 在新数组中的位置 
  21.     int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1); 
  22.                 如果发生冲突,使用线性探测往后寻找合适的位置 
  23.     while (newTab[h] != null
  24.      h = nextIndex(h, newLen); 
  25.                     newTab[h] = e; 
  26.                     count++; 
  27.                 } 
  28.             } 
  29.  } 
  30.  // 设置新的扩容阀值,为数组成都的三分之二 
  31.  setThreshold(newLen); 
  32.  size = count
  33.  table = newTab; 

建立新数组,容量为原来的2倍,遍历数组中的元素,将有效节点hash后放入新数组,设置threshold,size等属性。

ThreadLocal的 remove 方法

remove 方法源码如下所示:

  1. /** 
  2.  * 清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对 
  3.  */ 
  4. public void remove() { 
  5.  // 返回当前线程持有的 map 
  6.  ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread()); 
  7.  if (m != null) { 
  8.   // 从 map 中清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对 
  9.   m.remove(this); 
  10.  } 

remove 方法的时序图如下所示:

并发编程之ThreadLocal深入理解

remove 方法是先获取到当前线程的 ThreadLocalMap,并且调用了它的 remove 方法,从 map 中清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对,这样 value 就可以被 GC 回收了。

ThreadLocal的 set 方法

set 方法源码如下:

  1. /** 
  2.  * 为当前 ThreadLocal 对象关联 value 值 
  3.  * 
  4.  * @param value 要存储在此线程的线程副本的值 
  5.  */ 
  6. public void set(T value) { 
  7.  // 返回当前ThreadLocal所在的线程 
  8.  Thread t = Thread.currentThread(); 
  9.  // 返回当前线程持有的map 
  10.  ThreadLocalMap map = getMap(t); 
  11.  if (map != null) { 
  12.   // 如果 ThreadLocalMap 不为空,则直接存储<ThreadLocal, T>键值对 
  13.   map.set(this, value); 
  14.  } else { 
  15.   // 否则,需要为当前线程初始化 ThreadLocalMap,并存储键值对 <this, firstValue> 
  16.   createMap(t, value); 
  17.  } 

set 方法的作用是把我们想要存储的 value 给保存进去。其主要流程为:

  1. 先获取当当前线程的引用;
  2. 利用这个引用来获取到 ThreadLocalMap;
  3. 如果 map 为空,则去创建一个 ThreadLocalMap;
  4. 如果 map 不为空,就利用 ThreadLocalMap 的 set 方法将 value 添加到 map 中。
  • 其中 map 就是 ThreadLocalMap。

调用 ThreadLocalMap.set() 时,会把当前 threadLocal 对象作为 key,想要保存的对象作为 value,存入 map。

set 方法的时序图如下所示:

并发编程之ThreadLocal深入理解

ThreadLocal的 getMap 方法

  1. /** 
  2.  * 返回当前线程 thread 持有的 ThreadLocalMap 
  3.  * 
  4.  * @param t 当前线程 
  5.  * @return ThreadLocalMap 
  6.  */ 
  7. ThreadLocalMap getMap(Thread t) { 
  8.  return t.threadLocals; 

getMap 方法的作用主要是获取当前线程内的 ThreadLocalMap 对象,原来这个 ThreadLocalMap 是线程Thread类的一个属性,我们来看看 Thread 中相关的代码:

  1. /** 
  2.  * ThreadLocal 的 ThreadLocalMap 是线程的一个属性,所以在多线程环境下 threadLocals 是线程安全的 
  3.  */ 
  4. ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null

ThreadLocal的 get 方法

get 方法源码如下:

  1. /** 
  2.  * 返回当前 ThreadLocal 对象关联的值 
  3.  * 
  4.  * @return 
  5.  */ 
  6. public T get() { 
  7.  // 返回当前 ThreadLocal 所在的线程 
  8.  Thread t = Thread.currentThread(); 
  9.  // 从线程中拿到 ThreadLocalMap 
  10.  ThreadLocalMap map = getMap(t); 
  11.  if (map != null) { 
  12.   // 从 map 中拿到 entry 
  13.   ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); 
  14.   // 如果不为空,读取当前 ThreadLocal 中保存的值 
  15.   if (e != null) { 
  16.    @SuppressWarnings("unchecked"
  17.    T result = (T) e.value; 
  18.    return result; 
  19.   } 
  20.  } 
  21.  // 若 map 为空,则对当前线程的 ThreadLocal 进行初始化,最后返回当前的 ThreadLocal 对象关联的初值,即 value 
  22.  return setInitialValue(); 

get 方法的主要流程为:

  1. 先获取到当前线程的引用;
  2. 获取当前线程内部的 ThreadLocalMap;
  3. 如果 map 存在,则获取当前 ThreadLocal 对应的 value 值;
  4. 如果 map 不存在或者找不到 value 值,则调用 setInitialValue() 进行初始化。

get 方法的时序图如下所示:

并发编程之ThreadLocal深入理解

其中每个 Thread 的 ThreadLocalMap 以 threadLocal 作为 key,保存自己的线程的 value副本,也就是保存在每个线程中,并没有保存在 ThreadLocal 对象中。

小结

通过对源码的分析,现在我们来总结一下:

  1. 每个Thread维护着一个ThreadLocalMap的引用;
  2. ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类,用Entry来进行存储;
  3. ThreadLocal创建的副本是存储在自己的threadLocals中的,也就是自己的ThreadLocalMap;
  4. ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象,而且可以有多个threadLocal变量,因此保存在map中;
  5. 在进行get之前,必须先set,否则会报空指针异常,当然也可以初始化一个,但是必须重写initialValue()方法;
  6. ThreadLocal本身并不存储值,它只是作为一个key来让线程从ThreadLocalMap获取value。

ThreadLocal 应用场景

ThreadLocal 的特性也导致了应用场景比较广泛,主要的应用场景如下:

  • 线程间数据隔离,各线程的 ThreadLocal 互不影响
  • 方便同一个线程使用某一对象,避免不必要的参数传递
  • 全链路追踪中的 traceId 或者流程引擎中上下文的传递一般采用 ThreadLocal
  • Spring 事务管理器采用了 ThreadLocal
  • Spring MVC 的 RequestContextHolder 的实现使用了 ThreadLocal

总结:面试常见问题

Thread、ThreadLocal 以及 ThreadLocalMap关系

通过对以上源码的分析,Thread、ThreadLocal 以及 ThreadLocalMap 的关系有了进一步的理解,我们再通过一张图来总结下:

并发编程之ThreadLocal深入理解

ThreadLocal 是如何实现线程隔离的呢?

ThreadLocal 是如何做到线程数据隔离,前面源码分析 ThreadLocal 的 set 方法已经分析过,这里我们再总结一下:

ThreadLocal之所以能达到变量的线程隔离,其实就是每个线程都有一个自己的ThreadLocalMap对象来存储同一个threadLocal实例set的值,而取值的时候也是根据同一个threadLocal实例去自己的ThreadLocalMap里面找,自然就互不影响了,从而达到线程隔离的目的。如下图所示:

并发编程之ThreadLocal深入理解

ThreadLocal内存泄漏问题

ThreadLocal 在没有外部强引用时,发生 GC时会被回收,那么 ThreadLocalMap 中保存的 key 值就变成了 null,而 Entry 又被 threadLocalMap 对象引用,threadLocalMap 对象又被 Thread 对象所引用,那么当 Thread 一直不终结的话,value 对象就会一直存在于内存中,也就导致了内存泄漏,直至 Thread 被销毁后,才会被回收。我们通过一张图来理解下:

并发编程之ThreadLocal深入理解

ThreadLocal内存泄漏的根源是:由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长,如果没有手动删除对应key就会导致内存泄漏,而不是因为弱引用。

那么如何避免内存泄漏呢?

在使用完 ThreadLocal 变量后,需要我们手动 remove 掉,防止 ThreadLocalMap 中的 Entry 一直保持对 value 的强引用,导致 value 不能被回收。

PS:以上代码提交在 Github :

https://github.com/Niuh-Study/niuh-juc-final.git

原文地址:https://www.toutiao.com/i6904646162406654467/

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