并发系列（2）之 ThreadLocal 详解

本文将主要结合源码讲述 ThreadLocal 的使用场景和内部结构，以及 ThreadLocalMap 的内部结构；另外在阅读文本之前只好先了解一下引用和 HashMap 的相关知识，可以参考 Reference 框架概览、Reference 完全解读、HashMap 相关；

一、使用场景

通常情况下避免多线程问题有三种方法：

• 不使用共享状态变量；
• 状态变量为不可变的；
• 访问共享变量时使用同步；

而 ThreadLocal 则是通过每个线程独享状态变量的方式，即不使用共享状态变量，来消除多线程问题的，例如：

@Slf4j public class TestThreadlocal {
  private static ThreadLocal<String> local = ThreadLocal.withInitial(() -> "init");

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Runnable r = new TT();
    new Thread(r, "thread1").start();
    Thread.sleep(2000);
    new Thread(r, "thread2").start();
    log.info("exit");
  }

  private static class TT implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      log.info(local.get());
      local.set(Thread.currentThread().getName());
      log.info("set local name and get: {}", local.get());
    }
  }
}

// 打印：

[14 19:27:39,818 INFO ] [thread1] TestThreadlocal - init
[14 19:27:39,819 INFO ] [thread1] TestThreadlocal - set local name and get: thread1
[14 19:27:41,818 INFO ] [main]    TestThreadlocal - exit
[14 19:27:41,819 INFO ] [thread2] TestThreadlocal - init
[14 19:27:41,819 INFO ] [thread2] TestThreadlocal - set local name and get: thread2

可以看到线程1和线程2虽然使用的是同一个 ThreadLocal 变量，但是他们之间却没有互相影响；其原因就是每个使用 ThreadLocal 变量的线程都会在各自的线程中保存一份 独立 的副本，所以各个线程之间没有相互影响；

二、ThreadLocal 结构概述

ThreadLocal 的大体结构如图所示：

如图所示：

• 在使用 ThreadLocal 的时候，是首先获得当前线程；
• 然后取到线程的成员变量 ThreadLocalMap（暂时可以理解为和WeakHashMap相似，后面会详细讲到）；
• 然后以当前的 ThreadLocal 变量作为 Key，取到 Entry；
• 最后返回 Entry 中的 value；

其源代码如下：

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();
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
  return t.threadLocals;
}

ThreadLocalMap.Entry:

另外还需要注意这里的 Entry，

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

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

Reference(T referent) {
  this(referent, null);
}

可以看到 Entry 继承了 WeakReference，并且没有传入 ReferenceQueue；关于 Reference 的部分下面我简单介绍，具体的可以参考我上面提到了两个博客；

WeakReference 表示当传入的 referent（这里就是 ThreadLocal 自身），变成弱引用的时候（即没有强引用指向他的时候）；下一次 GC 将自动回收弱引用；这里没有传入 ReferenceQueue，也就代表不能集中监测回收已弃用的 Entry，而需要再次访问到对应的位置时才能检测到，具体内容下面还有讲到，注意这也是和 WeakHashMap 最大的两个区别之一；

注意如果没有手动移除 ThreadLocal，而他有一直以强引用状态存活，就会导致 value 无法回收，至最终 OOM；所以在使用 ThreadLocal 的时候，最后一定要手动移除；

三、ThreadLocalMap 结构概述

1. set 方法

ThreadLocalMap 看名字大致可以知道是类似于 HashMap的数据结构；但是有一个重要的区别是，HashMap 使用拉链法解决哈希冲突，而 ThreadLocalMap 是使用线性探测法解决哈希冲突；具体结构如图所示：

如图所示，ThreadLocalMap 里面没有链表的结构，当使用 threadLocalHashCode & (len - 1); 定位到哈希槽时，如果该位置为空则直接插入，如果不为空则检查下一个位置，直到遇到空的哈希槽；

另外它和我们通常见到的线性探测有点区别，在插入或删除的时候，会有哈希槽的移动；

源码如下：

public void set(T value) {
  Thread t = Thread.currentThread();
  ThreadLocalMap map = getMap(t);
  if (map != null)
    map.set(this, value);
  else
    createMap(t, value);    // 延迟初始化
}

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
  Entry[] tab = table;
  int len = tab.length;
  int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);    // 定位哈希槽
  
  // 如果原本的位置不为空，则依次向后查找
  for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
    ThreadLocal<?> k = e.get();
  
    // 如果 threadLocal 已经存在，则直接用新值替代旧值
    if (k == key) {
      e.value = value;
      return;
    }
  
    // 如果向后找到一个已经弃用的哈希槽，则将其替换
    if (k == null) {
      replaceStaleEntry(key, value, i);
      return;
    }
  }
  
  // 如果定位的哈希槽为空，则直接插入新值
  tab[i] = new Entry(key, value);
  int sz = ++size;
  
  // 最后扫描其他弃用的哈希槽，如果最终超过阈值则扩容
  if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
    rehash();
  }
}

private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, int staleSlot) {
  Entry[] tab = table;
  int len = tab.length;
  Entry e;

  int slotToExpunge = staleSlot;
  
  // 以 staleSlot 为基础，向前查找到最前面一个弃用的哈希槽，并确立清除开始位置
  for (int i = prevIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = prevIndex(i, len))
    if (e.get() == null) slotToExpunge = i;

  // 以 staleSlot 为基础，向后查找已经存在的 ThreadLocal
  for (int i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {
    ThreadLocal<?> k = e.get();
    
    // 如果向后还有目标 ThreadLocal，则交换位置
    if (k == key) {
      e.value = value;

      tab[i] = tab[staleSlot];
      tab[staleSlot] = e;

      // 刚交换的位置如果等于清除开始位置，则将其指向目标位置之后
      if (slotToExpunge == staleSlot) slotToExpunge = i;
      
      // 从开始清除位置开始扫描全表，并清除
      cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
      return;
    }
    
		// 如果在目标位置后面未找到目标 ThreadLocal，则 staleSlot 仍然是目标位置，并将开始清除位置指向后面
    if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
      slotToExpunge = i;
  }
  
  // 在目标位置替换
  tab[staleSlot].value = null;
  tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

  // 如果开始清除的位置，不是目标位置，则扫描全表并清除
  if (slotToExpunge != staleSlot)
    cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}

其中总体思路是：

• 如果目标位置为空，则直接插入；
• 如果不为空，则向后查询，看是否有目标key存在，如果存在则交换位置，并插入；
• 另外还需要确定一个跳跃扫描全表的起始位置，必须是弃用的哈希槽，如果目标位置前面有就找最前面的，如果没有就用后面的；

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();
}

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
  int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
  Entry e = table[i];
  if (e != null && e.get() == key)
    return e;
  else
    return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
  Entry[] tab = table;
  int len = tab.length;

  while (e != null) {
    ThreadLocal<?> k = e.get();
    if (k == key)
      return e;
    if (k == null)
      expungeStaleEntry(i);
    else
      i = nextIndex(i, len);
    e = tab[i];
  }
  return null;
}

从源码里面也可以看到上面讲的逻辑：

• 首先获取 ThreadLocalMap，如果 map 为空则初始化；也可以使用 Thread.withInitial(Supplier<? extends S> supplier)；工厂方法创建以初始值的 ThreadLocal，或则直接覆盖 Thread.initialValue()方法；
• 然后用哈希定位哈希槽，如果命中则返回，未命中则向后一次查询；
• 如果最终未找到，则用 Thread.initialValue() 方法返回初始值；

3. remove 方法

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

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;
    }
  }
}

public void clear() {
  this.referent = null;
}

移除的逻辑也可 HashMap 类似：

• 首先查找到目标哈希槽，然后清除；
• 注意这里的清除并非直接将 Entry 置为 null，而是先将 WeakReference 的 referent置为空，在扫描全表；其实是在模拟了 WeakReference 清除的过程，如果 ThreadLocal 变成弱引用，在访问一次 ThreadLocalMap，其清除的过程是一样的；
• 另外注意这里清除后和 HashMap 一样，容量是不会缩小的；

4. ThreadLocal 哈希计算

int index = key.threadLocalHashCode & (len-1);

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static int nextHashCode() { return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT); }
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

这里哈希槽的定位仍然是使用的除留余数法，当容量是2的幂时，hash % length = hash & (length-1)；但是 ThreadLocalMap 和 HashMap 有点区别的是，ThreadLocalMap 的 key 都是 ThreadLocal，如果这里使用通常意义的哈希计算方法，那肯定每个 key 都会发生哈希碰撞；所以需要用一种方法将相同的 key 区分开，并均匀的分布到 2的幂的数组中；

所以就看到了上面的计算方法，ThreadLocal 的哈希值每次增加 0x61c88647；具体原因大家可以参见源码注释，其目的就是能使 key 均匀的分布到 2的幂的数组中；

5. 清除方法

cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);

private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
  boolean removed = false;
  Entry[] tab = table;
  int len = tab.length;
  do {
    i = nextIndex(i, len);
    Entry e = tab[i];
    if (e != null && e.get() == null) {
      n = len;
      removed = true;
      i = expungeStaleEntry(i);
    }
  } while ( (n >>>= 1) != 0);
  return removed;
}

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
  Entry[] tab = table;
  int len = tab.length;

  // expunge entry at staleSlot
  tab[staleSlot].value = null;
  tab[staleSlot] = null;
  size--;

  // Rehash until we encounter null
  Entry e;
  int i;
  for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) {
    ThreadLocal<?> k = e.get();
    if (k == null) {
      e.value = null;
      tab[i] = null;
      size--;
    } else {
      int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
      if (h != i) {
        tab[i] = null;

        // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
        // null because multiple entries could have been stale.
        while (tab[h] != null)
          h = nextIndex(h, len);
        tab[h] = e;
      }
    }
  }
  return i;
}

expungeStaleEntry：

• 首先清除目标位置；
• 然后向后依次扫描，直到遇到空的哈希槽；
• 如果遇到已弃用的哈希槽则清除，如果遇到因哈希冲突后移的 ThreadLocal，则前移；

cleanSomeSlots 则是向后偏移调用 expungeStaleEntry 方法 log(n) 次，cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len); 连用就可以扫描全表清除已弃用的哈希槽；

6. 扩容方法

private void rehash() {
  expungeStaleEntries();

  // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
  if (size >= threshold - threshold / 4) resize();
}

private void expungeStaleEntries() {
  Entry[] tab = table;
  int len = tab.length;
  for (int j = 0; j < len; j++) {
    Entry e = tab[j];
    if (e != null && e.get() == null) expungeStaleEntry(j);
  }
}

private void resize() {
  Entry[] oldTab = table;
  int oldLen = oldTab.length;
  int newLen = oldLen * 2;
  Entry[] newTab = new Entry[newLen];
  int count = 0;

  for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
    Entry e = oldTab[j];
    if (e != null) {
      ThreadLocal<?> k = e.get();
      if (k == null) {
        e.value = null; // Help the GC
      } else {
        int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
        while (newTab[h] != null)
          h = nextIndex(h, newLen);
        newTab[h] = e;
        count++;
      }
    }
  }

  setThreshold(newLen);
  size = count;
  table = newTab;
}

扩容时：

• 首先扫描全表清除已弃用的哈希槽；
• 如果清除后仍然超过阈值，则扩容；
• 扩容时，容量增加 1 倍（初始容量为 16，所以容量一直是2的幂），然后将旧表中的值，依次插到新表；

四、InheritableThreadLocal

InheritableThreadLocal 是可以被继承的 ThreaLocal；在 Thread 中有成员变量用来继承父类的 ThreadLocalMap ；ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals；比如：

@Slf4j public class TestThreadlocal {
  private static InheritableThreadLocal<String> local = new InheritableThreadLocal();

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Runnable r = new TT();

    local.set("parent");
    log.info("get: {}", local.get());
    Thread.sleep(1000);
    new Thread(r, "child").start();
    log.info("exit");

  }

  private static class TT implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      log.info(local.get());
      local.set(Thread.currentThread().getName());
      log.info("set local name and get: {}", local.get());
    }
  }
}

// 打印：

[15 10:58:29,878 INFO ] [main]  TestThreadlocal - get: parent
[15 10:58:30,878 INFO ] [main]  TestThreadlocal - exit
[15 10:58:30,878 INFO ] [child] TestThreadlocal - parent
[15 10:58:30,878 INFO ] [child] TestThreadlocal - set local name and get: child

总结

• ThreadLocal 通过线程独占的方式，也就是隔离的方式，避免了多线程问题；
• 在使用 ThreadLocal 的时候一定要手动移除，以避免内存泄漏；