Java面试题必备知识之ThreadLocal
老套路，先列举下关于ThreadLocal常见的疑问，希望可以通过这篇学习笔记来解决这几个问题：
- ThreadLocal是用来解决什么问题的？
- 如何使用ThreadLocal？
- ThreadLocal的实现原理是什么？
- 可否举几个实际项目中使用ThreadLocal的案例？
基础知识
ThreadLocal是线程局部变量，和普通变量的不同在于：每个线程持有这个变量的一个副本，可以独立修改（set方法）和访问（get方法）这个变量，并且线程之间不会发生冲突。
类中定义的ThreadLocal实例一般会被private static修饰，这样可以让ThreadLocal实例的状态和Thread绑定在一起，业务上，一般用ThreadLocal包装一些业务ID（user ID或事务ID）——不同的线程使用的ID是不相同的。
如何使用
case1
从某个角度来看，ThreadLocal为Java并发编程提供了额外的思路——避免并发，如果某个对象本身是非线程安全的，但是你想实现多线程同步访问的效果，例如SimpleDateFormat，你可以使用ThreadLocal变量。
public class Foo
{
// SimpleDateFormat is not thread-safe, so give one to each thread
private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> formatter = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>(){
@Override
protected SimpleDateFormat initialValue()
{
return new SimpleDateFormat("yyyyMMdd HHmm");
}
};
public String formatIt(Date date)
{
return formatter.get().format(date);
}
}
注意，这里针对每个线程只需要初始化一次SimpleDateFormat对象，其实跟在自定义线程中定义一个SimpleDateFormat成员变量，并在线程初始化的时候new这个对象，效果是一样的，只是这样看起来代码更规整。
case2
之前在yunos做酷盘项目的数据迁移时，我们需要按照用户维度去加锁，每个线程在处理迁移之前，都需要先获取当前用户的锁，每个锁的key是带着用户信息的，因此也可以使用ThreadLocal变量实现：
case3
下面这个例子，我们定义了一个MyRunnable对象，这个MyRunnable对象会被线程1和线程2使用，但是通过内部的ThreadLocal变量，每个线程访问到的整数都是自己单独的一份。
package org.java.learn.concurrent.threadlocal;
/**
* @author duqi
* @createTime 2018-12-29 23:25
**/
public class ThreadLocalExample {
public static class MyRunnable implements Runnable {
private ThreadLocal<Integer> threadLocal =
new ThreadLocal<Integer>();
@Override
public void run() {
threadLocal.set((int) (Math.random() * 100D));
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println(threadLocal.get());
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyRunnable sharedRunnableInstance = new MyRunnable();
Thread thread1 = new Thread(sharedRunnableInstance);
Thread thread2 = new Thread(sharedRunnableInstance);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join(); //wait for thread 1 to terminate
thread2.join(); //wait for thread 2 to terminate
}
}
ThreadLocal关键知识点
源码分析
ThreadLocal是如何被线程使用的？原理如下图所示：Thread引用和ThreadLocal引用都在栈上，Thread引用会引用一个ThreadLocalMap对象，这个map中的key是ThreadLocal对象（使用WeakReference包装），value是业务上变量的值。
首先看java.lang.Thread中的代码：
public
class Thread implements Runnable {
//......其他源码
/* 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;
//......其他源码
Thread中的threadLocals变量指向的是一个map，这个map就是ThreadLocal.ThreadLocalMap，里面存放的是跟当前线程绑定的ThreadLocal变量；inheritableThreadLocals的作用相同，里面也是存放的ThreadLocal变量，但是存放的是从当前线程的父线程继承过来的ThreadLocal变量。
在看java.lang.ThreadLocal类，主要的成员和接口如下：
-
withInitial方法，Java 8以后用于初始化ThreadLocal的一种方法，在外部调用get()方法的时候，会通过Supplier确定变量的初始值；
public static <S> ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supplier) { return new SuppliedThreadLocal<>(supplier); } -
get方法，获取当前线程的变量副本，如果当前线程还没有创建该变量的副本，则需要通过调用
initialValue方法来设置初始值；get方法的源代码如下，首先通过当前线程获取当前线程对应的map，如果map不为空，则从map中取出对应的Entry，然后取出对应的值；如果map为空，则调用setInitialValue设置初始值；如果map不为空，当前ThreadLocal实例对应的Entry为空，则也需要设置初始值。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(); } -
set方法，跟get方法一样，先获取当前线程对应的map，如果map为空，则调用createMap创建map，否则将变量的值放入map——key为当前这个ThreadLocal对象，value为变量的值。
public void set(T value) { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) map.set(this, value); else createMap(t, value); } -
remove方法，删除当前线程绑定的这个副本
public void remove() { ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread()); if (m != null) m.remove(this); } -
数字0x61c88647，这个值是HASH_INCREMENT的值，普通的hashmap是使用链表来处理冲突的，但是ThreadLocalMap是使用线性探测法来处理冲突的，HASH_INCREMENT就是每次增加的步长，根据参考资料1所说，选择这个数字是为了让冲突概率最小。
/**
* The difference between successively generated hash codes - turns
* implicit sequential thread-local IDs into near-optimally spread
* multiplicative hash values for power-of-two-sized tables.
*/
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
父子进程数据共享
InheritableThreadLocal主要用于子线程创建时，需要自动继承父线程的ThreadLocal变量，实现子线程访问父线程的threadlocal变量。InheritableThreadLocal继承了ThreadLocal，并重写了childValue、getMap、createMap三个方法。
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
/**
* 创建线程的时候，如果需要继承且父线程中Thread-Local变量，则需要将父线程中的ThreadLocal变量一次拷贝过来。
*/
protected T childValue(T parentValue) {
return parentValue;
}
/**
* 由于重写了getMap，所以在操作InheritableThreadLocal变量的时候，将只操作Thread类中的inheritableThreadLocals变量，与threadLocals变量没有关系
**/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.inheritableThreadLocals;
}
/**
* 跟getMap类似，set或getInheritableThreadLocal变量的时候，将只操作Thread类中的inheritableThreadLocals变量
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
}
关于childValue多说两句，拷贝是如何发生的？
首先看Thread.init方法，
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name, long stackSize, AccessControlContext acc, boolean inheritThreadLocals) {
//其他源码
if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
this.inheritableThreadLocals =
ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
/* Stash the specified stack size in case the VM cares */
this.stackSize = stackSize;
/* Set thread ID */
tid = nextThreadID();
}
然后看ThreadLocal.createInheritedMap方法，最终会调用到newThreadLocalMap方法，这里InheritableThreadLocal对childValue做了重写，可以看出，这里确实是将父线程关联的ThreadLocalMap中的内容依次拷贝到子线程的ThreadLocalMap中了。
private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
Entry[] parentTable = parentMap.table;
int len = parentTable.length;
setThreshold(len);
table = new Entry[len];
for (int j = 0; j < len; j++) {
Entry e = parentTable[j];
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
if (key != null) {
Object value = key.childValue(e.value);
Entry c = new Entry(key, value);
int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
while (table[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
table[h] = c;
size++;
}
}
}
}
ThreadLocal对象何时被回收？
ThreadLocalMap中的key是ThreadLocal对象，然后ThreadLocal对象时被WeakReference包装的，这样当没有强引用指向该ThreadLocal对象之后，或者说Map中的ThreadLocal对象被判定为弱引用可达时，就会在垃圾收集中被回收掉。看下Entry的定义：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
ThreadLocal和线程池一起使用？
ThreadLocal对象的生命周期跟线程的生命周期一样长，那么如果将ThreadLocal对象和线程池一起使用，就可能会遇到这种情况：一个线程的ThreadLocal对象会和其他线程的ThreadLocal对象串掉，一般不建议将两者一起使用。
案例学习
Dubbo中对ThreadLocal的使用
我从Dubbo中找到了ThreadLocal的例子，它主要是用在请求缓存的场景，具体代码如下：
@Activate(group = {Constants.CONSUMER, Constants.PROVIDER}, value = Constants.CACHE_KEY)
public class CacheFilter implements Filter {
private CacheFactory cacheFactory;
public void setCacheFactory(CacheFactory cacheFactory) {
this.cacheFactory = cacheFactory;
}
@Override
public Result invoke(Invoker<?> invoker, Invocation invocation) throws RpcException {
if (cacheFactory != null && ConfigUtils.isNotEmpty(invoker.getUrl().getMethodParameter(invocation.getMethodName(), Constants.CACHE_KEY))) {
Cache cache = cacheFactory.getCache(invoker.getUrl(), invocation);
if (cache != null) {
String key = StringUtils.toArgumentString(invocation.getArguments());
Object value = cache.get(key);
if (value != null) {
if (value instanceof ValueWrapper) {
return new RpcResult(((ValueWrapper)value).get());
} else {
return new RpcResult(value);
}
}
Result result = invoker.invoke(invocation);
if (!result.hasException()) {
cache.put(key, new ValueWrapper(result.getValue()));
}
return result;
}
}
return invoker.invoke(invocation);
}
可以看出，在RPC调用（invoke）的链路上，会先使用请求参数判断当前线程是否刚刚发起过同样参数的调用——这个调用会使用ThreadLocalCache保存起来。具体的看，ThreadLocalCache的实现如下：
package org.apache.dubbo.cache.support.threadlocal;
import org.apache.dubbo.cache.Cache;
import org.apache.dubbo.common.URL;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* ThreadLocalCache
*/
public class ThreadLocalCache implements Cache {
//ThreadLocal里存放的是参数到结果的映射
private final ThreadLocal<Map<Object, Object>> store;
public ThreadLocalCache(URL url) {
this.store = new ThreadLocal<Map<Object, Object>>() {
@Override
protected Map<Object, Object> initialValue() {
return new HashMap<Object, Object>();
}
};
}
@Override
public void put(Object key, Object value) {
store.get().put(key, value);
}
@Override
public Object get(Object key) {
return store.get().get(key);
}
}
RocketMQ
在RocketMQ中，我也找到了ThreadLocal的身影，它是用在消息发送的场景，MQClientAPIImpl是RMQ中负责将消息发送到服务端的实现，其中有一个步骤需要选择一个具体的队列，选择具体的队列的时候，不同的线程有自己负责的index值，这里使用了ThreadLocal的机制，可以看下ThreadLocalIndex的实现：
package org.apache.rocketmq.client.common;
import java.util.Random;
public class ThreadLocalIndex {
private final ThreadLocal<Integer> threadLocalIndex = new ThreadLocal<Integer>();
private final Random random = new Random();
public int getAndIncrement() {
Integer index = this.threadLocalIndex.get();
if (null == index) {
index = Math.abs(random.nextInt());
if (index < 0)
index = 0;
this.threadLocalIndex.set(index);
}
index = Math.abs(index + 1);
if (index < 0)
index = 0;
this.threadLocalIndex.set(index);
return index;
}
@Override
public String toString() {
return "ThreadLocalIndex{" +
"threadLocalIndex=" + threadLocalIndex.get() +
'}';
}
}
总结
这篇文章主要是解决了关于ThreadLocal的几个问题：（1）具体的概念是啥？（2）在Java开发中的什么场景下使用？（3）ThreadLocal的实现原理是怎样的？（4）开源项目中有哪些案例可以参考？不知道你是否对这几个问题有了一定的了解呢？如果还有疑问，欢迎交流。
参考资料
- Why 0x61c88647?
- Java ThreadLocal
- When and how should I use a ThreadLocal variable?
- 技术小黑屋：理解Java中的ThreadLocal
- 深入分析ThreadLocal的内存泄漏问题
- 《Java并发编程实战》
- InheritableThreadLocal详解
- ThreadLocal详解
- ThreadLocal的使用场景
- 数据结构：哈希表
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