ThreadLocal 源码浅析
前言
多线程在访问同一个共享变量时很可能会出现并发问题，特别是在多线程对共享变量进行写入时，那么除了加锁还有其他方法避免并发问题吗？本文将详细讲解 ThreadLocal 的使用及其源码。
一、什么是 ThreadLocal？
ThreadLocal 是 JDK 包提供的，它提供了线程本地变量，也就是说，如果你创建了一个 ThreadLocal 变量，那么访问这个变量的每一个线程，都创建这个变量的一个本地副本。
这样可以解决什么问题呢？当多个线程操作这个变量时，实际操作的是自己线程本地内存里的数据，从而避免线程安全问题。
如下图，线程表中的每个线程，都有自己 ThreadLocal 变量，线程操作这个变量只是在自己的本地内存在，跟其他线程是隔离的。
二、如何使用 ThreadLocal
ThreadLocal 就是一个简单的容器，使用起来也没有难度，初始化后仅需通过 get/set 方法进行操作即可。
如下代码，开辟两个线程对 ThreadLocal 变量进行操作，获取的值是不同的。
public class FuXing {
/**
* 初始化ThreadLocal
*/
private static final ThreadLocal<String> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();
public static void main (String[] args) {
// 线程1中操作 myThreadLocal
new Thread(()->{
myThreadLocal.set("thread 1"); //set方法设置值
System.out.println(myThreadLocal.get()); //get方法获取值"thread 1"
},"thread 1").start();
// 线程2中操作 myThreadLocal
new Thread(()->{
myThreadLocal.set("thread 2"); //set方法设置值
System.out.println(myThreadLocal.get()); //get方法获取值"thread 2"
},"thread 2").start();
}
}
三、ThreadLocal 实现原理
ThreadLocal 是如何保证操作的对象只被当前线程进行访问呢，我们通过源码一起进行分析学习。
一般分析源码我们都先看它的构造方法是如何初始化的，接着通过对 ThreadLocal 的简单使用，我们知道了关键的两个方法 set/get，所以源码分析也按照这个顺序。
1. 构造方法
泛型类的空参构造，没有什么特别的
2. set 方法源码
源码如下，ThreadLocalMap 是什么呢？由于比较复杂，这里先不做解释，你暂时可以理解为是一个 HashMap，其中 key 为 ThreadLocal 当前对象，value 就是我们设置的值，后面会单独解释源码。
public void set(T value) {
//获取本地线程
Thread t = Thread.currentThread();
//获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
//获取到则添加值
map.set(this, value);
else
//否则初始化ThreadLocalMap --第一次设置值
createMap(t, value);
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
3. get 方法源码
public T get() {
//获取本地线程
Thread t = Thread.currentThread();
//获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
//通过当前的ThreadLocal作为key去获取对应value
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
//@SuppressWarnings忽略告警的注解
//"unchecked"表示未经检查的转换相关的警告，通常出现在泛型编程中
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
//threadLocals为空或它的Entry为空时，需要对其进行初始化操作。
return setInitialValue();
}
private T setInitialValue() {
//初始化为null
T value = initialValue();
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
//返回的其实就是个null
return value;
}
protected T initialValue() {
return null;
}
4. remove 方法源码
核心也是 ThreadLocalMap 中的 remove 方法，会删除 key 对应的 Entry，具体源码后面统一在 ThreadLocalMap 源码中分析。
public void remove() {
//获取当前线程下的threadLocals对象，对象类型是ThreadLocalMap
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
//通过当前的ThreadLocal作为key调用remove
m.remove(this);
}
5. ThreadLocalMap 源码
ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的一个静态内部类，看了上面的几个源码解释，可以了解到 ThreadLocalMap 其实才是核心。
简单的说，ThreadLocalMap 与 HashMap 类似，如，初始容量 16，一定范围内扩容，Entry 数组存储等，那它与 HashMap 有什么不同呢，下面将对源码进行详解。
ThreadLocalMap 的底层数据结构：
5.1 常量
//初始容量，一定是2的幂等数。
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
// Entry 数组
private Entry[] table;
//table的长度
private int size = 0;
//扩容阈值
private int threshold;
//设置扩容阈值，长度的 2 / 3
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}
//计算下一个存储位置
private static int nextIndex(int i, int len) {
return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}
// 计算前一个存储位置
private static int prevIndex(int i, int len) {
return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}
5.2 Entry 相关源码
由于 Entry 是底层核心源码，所有的操作几乎都是围绕着它来进行的，所以关于 Entry 的源码会比较多，我一一拆分进行分析讲解。
静态内部类 Entry
这个是 ThreadLocalMap 的底层数据结构，Entry 数组，每个 Entry 对象，这里的 Entry 继承了 WeakReference，关于弱引用不懂得，可以看我的另一篇文章《Java 引用》。
然后将 Entry 的 key 设置承了 弱引用，这有什么作用呢？作用是当 ThreadLocal 失去强引用后，在系统GC时，只要发现弱引用，不管系统堆空间使用是否充足，都会回收掉 key，进而 Entry 被内部清理。
//静态内部类Entry
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
// key为弱引用
super(k);
value = v;
}
}
获取 Entry
拿到当前线程中对应的 ThreadLocal 所在的 Entry，找不到的话会重新寻找，因为当前的 Entry 可能已经扩容，扩容后会重新计算索引位置，详情见扩容机制源码。
源码中的计算索引位置的算法我没有解释，这个我会放在后面解释，涉及到了如何解决 Hash 冲突的问题，这个和我们熟知的 HashMap 是不同的。
//获取Entry
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
//计算索引位置
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
//找到了就返回Entry
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
//没找到则重新寻找，因为可能发生扩容导致索引重新计算
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
//重新获取Entry --从当前索引i的位置向后搜索
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//循环遍历，获取对应的 ThreadLocal 所在的 Entry
while (e != null) {
//获取Entry对象的弱引用，WeakReference的方法
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key)
return e;
if (k == null)
//清除无效 Entry，详解见下方
expungeStaleEntry(i);
else
//计算下一个索引位置
i = nextIndex(i, len);
//可以理解为指针后移
e = tab[i];
}
return null;
}
清除无效 Entry
expunge 删除，抹去，stale 陈旧的，没有用的
第 1 个方法：
根据索引删除对应的桶位，并从给定索引开始，遍历清除无效的 Entry，何为无效？就是当 Entry 的 key 为 null 时，代表 key 已经被 GC 掉了，对应的 Entry 就无效了。
第 2 个方法：
删除Entry数组中所有无效的Entry，方法中的e.get() == null，代表key被回收了。
第 3 个方法：
清除一些失效桶位，它执行对数数量的扫描，向后遍历logn个位置，如8，4，2，1。
方法 2、3 最后都通过方法 1 进行桶位的删除。
//根据索引删除对应的桶位
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//删除该桶位的元素，并将数组长度减1
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
Entry e;
int i;
//从当前索引开始，直到当前 Entry为null才会停止遍历
for (i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
//获取Entry对象的弱引用，WeakReference的方法
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) {//说明key已失效
//删除该桶位的元素，并将数组长度减1
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else {//说明key有效，需要将其Rehash
//计算rehash后索引位置
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
if (h != i) {
tab[i] = null;
//移动元素位置，若rehash后索引位置有其他元素，则继续向后移动，直至为空
while (tab[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
tab[h] = e;
}
}
}
//直到当前 Entry为null才会停止遍历，i为其索引
return i;
}
//删除Entry数组中所有无效的Entry，用于rehash时
private void expungeStaleEntries() {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
for (int j = 0; j < len; j++) {
Entry e = tab[j];
//获取Entry对象的弱引用，Entry不为空而弱引用为空，代表被GC了
if (e != null && e.get() == null)
//根据索引删除对应的桶位
expungeStaleEntry(j);
}
}
//清楚一些清除桶位，它执行对数数量的扫描
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
boolean removed = false;
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//向后遍历logn个位置，如8，4，2，1
do {
i = nextIndex(i, len);
Entry e = tab[i];
//获取Entry对象的弱引用，Entry不为空而弱引用为空，代表被GC了
if (e != null && e.get() == null) {
n = len;
removed = true;
//根据索引删除对应的桶位
i = expungeStaleEntry(i);
}
} while ( (n >>>= 1) != 0);//对数递减
return removed;
}
替换无效 Entry
替换失效元素，用在对 Entry 进行 set 操作时，如果 set 的 key 是失效的，则需要用新的替换它。
这里不仅仅处理了当前的失效元素，还会将其他失效的元素进行清理，因为这里是当 key 为 null 时才进行的替换操作。
那什么时候 key 为 null 呢？这个除了主动的 remove 之外，就只有 ThreadLocal 的弱引用被 GC 掉了。
这里是在 set 操作时出现的，还出现了 key 为 null 的无效元素，代表已经之前发生过 GC 了，很可能Entry 数组中还可能出现其他无效元素，所以源码中会出现向前遍历和向后遍历的情况。
向前遍历好理解，就是通过遍历找第一个失效元素的索引。向后遍历比较难理解，这里我先简单说一下 ThreadLocal 用的开放地址的方式来解决 hash 冲突的，具体原理我后面会在讲 hash 冲突时单独讲。
这种情况下，很可能当前的失效元素对应的并不是 hascode 在 staleSlot 的Entry。因为 hash 冲突后，Entry 会后移，那么此元素的 hascode 对应的桶位很有可能往后移了，所以我们要向后找到它，并且和当前的 staleSlot 进行替换。
如果不进行此操作的话，很有可能在 set 操作时，在 ThreadLocalMap 中会出现两个桶位，都被某个ThreadLocal 指向。
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
Entry e;
//记录失效元素的索引
int slotToExpunge = staleSlot;
//从失效元素位置向前遍历，直到当前 Entry为null才会停止遍历
for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = prevIndex(i, len))
if (e.get() == null)
//更新失效元素的索引，目的是找第一个失效的元素
slotToExpunge = i;
//从失效元素向后遍历
for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//找到了对应key
if (k == key) {
//更新该位置的value
e.value = value;
//把失效元素换到当前位置
tab[i] = tab[staleSlot];
//把当前Entry移动到失效元素位置
tab[staleSlot] = e;
//slotToExpunge是第一个失效元素的索引，若条件成立，向前没有失效元素
if (slotToExpunge == staleSlot)
//从当前索引开始，清理失效元素
slotToExpunge = i;
// 清理失效元素，详情见清除无效Entry相关源码
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
return;
}
//代表向前遍历没有找到第一个失效元素的位置
if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
//所以条件成立的i是向后遍历的的第一个失效元素的位置
slotToExpunge = i;
}
//没找到key，则在失效元素索引的位置，新建Entry
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = new Entry(key, value);
// 条件成立说明在找到了staleSlot前面找到了其他的失效元素
if (slotToExpunge != staleSlot)
// 清理失效元素，详情见清除无效Entry相关源码
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}
5.3 构造方法
还有一个基于 parentMap 的构造方法，由于目前仅在创建 InheritableThreadLocal 时调用，关于它这里不详细展开，后续会针对该类进行详解。
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
// 初始化数组
table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
//计算存储位置
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
//存储元素，并将size设置为1
table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
size = 1;
//设置扩容阈值
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
5.4 set 方法源码
设置 key，vlaue，key 就是 ThreadLocal 对象。
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//计算索引位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
//从当前索引开始，直到当前Entry为null才会停止遍历
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//如果key存在且等于当前key，代表之前存在的，直接覆盖
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
//如果key不存在，说明已失效，需要替换，详情见替换无效Entry源码
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
//没有key则新建一个Entry即可
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
//清理一些失效元素，若清理失败且达到常量中的扩容阈值，则进行rehash操作
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
//删除Entry数组中所有无效的Entry并扩容
private void rehash() {
//删除Entry数组中所有无效的Entry
expungeStaleEntries();
if (size >= threshold - threshold / 4)
//扩容，详情见下面的扩容机制源码
resize();
}
5.5 remove 方法源码
删除key对应的entry
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//计算存储位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
//从当前索引开始，直到当前Entry为null才会停止遍历
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
if (e.get() == key) {
//清除该对象的强引用，下次在通过get方法获取引用则返回null
e.clear();
//清除无效元素
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}
5.6 扩容机制源码
将元素转移到新的Entry 数组，长度是原来的两倍。
private void resize() {
//创建原数组长度两倍的新数组
Entry[] oldTab = table;
int oldLen = oldTab.length;
int newLen = oldLen * 2;
Entry[] newTab = new Entry[newLen];
int count = 0; //计算当前元素数量
for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
Entry e = oldTab[j];
if (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) { //key失效则值也顺便设为null
e.value = null; // Help the GC
} else {
//重新计算索引位置
int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
//移动元素位置，若rehash后索引位置有其他元素，则继续向后移动，直至为空
while (newTab[h] != null)
h = nextIndex(h, newLen);
newTab[h] = e;
count++;
}
}
}
setThreshold(newLen);
size = count;
table = newTab;
}
四、ThreadLocalMap 的 Hash 冲突
Java 中大部分都是使用拉链法法解决 Hash 冲突的，而 ThreadLocalMap 是通过开放地址法来解决 Hash 冲突，这两者有什么不同，下面我讲介绍一下。
1. 拉链法
拉链法也叫链地址法，经典的就是 HashMap 解决 Hash 冲突的方法，如下图。将所有的 hash 值相同的元素组成一个链表，除此外 HashMap 还进行了链表转红黑树的优化。
2. 开放地址法
原理是当发生hash冲突时，不引入额外的数据结构，会以当前地址为基准，通过“多次探测”来处理哈希冲突，探测方式主要包括线性探测、平方探测和多次哈希等，ThreadLocalMap 使用的是线性探测法。
简单说，就是一旦发生了冲突，就去探测寻找下一个空的散列地址，根据上面的源码也能大致了解该处理方式。
源码中的公式是key.threadLocalHashCode & (length - 1)。
公式类似 HashMap 的寻址算法，详情见HashMap源码，由于数组长度是 2 的 n 次幂，所以这里的与运算就是取模，得到索引 i，这样做是为了分布更均匀，减少冲突产生。
threadLocalHashCode 源码如下：
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
//初始化线程安全的Integer
private static AtomicInteger nextHashCode =
new AtomicInteger();
//斐波那契散列乘数 --结果分布更均匀
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
//自增返回下一个hash code
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
线性探测法的缺点：
- 不适用于存储大量数据，容易产生“聚集现象”；
- 删除元素需要清除无效元素；
五、注意事项
1. 关于内存泄漏
在了解了 ThreadLocal 的内部实现以后，我们知道了数据其实存储在 ThreadLocalMap 中。这就意味着，线程只要不退出，则引用一直存在。
当线程退出时，Thread 类会对一些资源进行清理，其中就有threadLocals，源码如下：
private void exit() {
if (group != null) {
group.threadTerminated(this);
group = null;
}
target = null;
//加速一些资源的清理
threadLocals = null;
inheritableThreadLocals = null;
inheritedAccessControlContext = null;
blocker = null;
uncaughtExceptionHandler = null;
}
因此，当使用的线程一直没有退出（如使用线程池），这时如果将一些大对象放入 ThreadLocal 中，且没有及时清理，就可能会出现内存泄漏的风险。
所以我们要养成习惯每次使用完 ThreadLocal 都要调用 remove 方法进行清理。
2. 关于数据混乱
通过对内存泄漏的解释，我们了解了当使用的线程一直没有退出，而又没有即使清理 ThreadLocal，则其中的数据会一直存在。
这除了内存泄漏还有什么问题呢？我们在开发过程中，请求一般都是通过 Tomcat 处理，而其在处理请求时采用的就是线程池。
这就意味着请求线程被 Tomcat 回收后，不一定会立即销毁，如果不在请求结束后主动 remove 线程中的 ThreadLocal 信息，可能会影响后续逻辑，拿到脏数据。
我在开发过程中就遇到了这个问题，详情见ThreadLocal中的用户信息混乱问题。所以无论如何，在每次使用完 ThreadLocal 都要调用 remove 方法进行清理。
3. 关于继承性
同一个 ThreadLocal 变量，在父线程中被设置值后，在子线程其实是获取不到的。通过源码我们也知道，我们操作的都是当前线程下的 ThreadLocalMap ，所以这其实是正常的。
测试代码如下：
public class FuXing {
/**
* 初始化ThreadLocal
*/
private static final ThreadLocal<String> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();
public static void main (String[] args) {
myThreadLocal.set("father thread");
System.out.println(myThreadLocal.get()); //father thread
new Thread(()->{
System.out.println(myThreadLocal.get()); //null
},"thread 1").start();
}
}
那么这可能会导致什么问题呢？比如我们在本服务调用外部服务，或者本服务开启新线程去进行异步操作，其中都无法获取 ThreadLocal 中的值。
虽然都有其他解决方法，但是有没有让子线程也能直接获取到父线程的 ThreadLocal 中的值呢？这就用到了 InheritableThreadLocal。
public class FuXing {
/**
* 初始化ThreadLocal
*/
private static final InheritableThreadLocal<String> myThreadLocal
= new InheritableThreadLocal<>();
public static void main (String[] args) {
myThreadLocal.set("father thread");
System.out.println(myThreadLocal.get()); //father thread
new Thread(()->{
System.out.println(myThreadLocal.get()); //father thread
},"thread 1").start();
}
}
InheritableThreadLocal 就是继承了 ThreadLocal，在创建和获取变量实例 inheritableThreadLocals 而不再是threadLocals，源码如下。
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
protected T childValue(T parentValue) {
return parentValue;
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.inheritableThreadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
}
总结
本文主要讲述了 ThreadLocal 的使用以及对其源码进行了详解，了解了 ThreadLocal 可以线程隔离的原因。通过对 ThreadLocalMap 的分析，知道了其底层数据结构和如何解决 Hash 冲突的。
最后通过对 ThreadLocal 特点的分析，了解到有哪些需要注意的点，避免以后开发过程中遇到类似问题，若发现其他问题欢迎指正交流。
参考：
[1] 翟陆续/薛宾田. Java并发编程之美.
[2] 葛一鸣/郭超. 实战Java高并发程序设计.
[3] 靳宇栋. Hello 算法.
