并发编程（四）：ThreadLocal从源码分析总结到内存泄漏

一、目录

     1、ThreadLocal是什么？有什么用？

     2、ThreadLocal源码简要总结？

     3、ThreadLocal为什么会导致内存泄漏？

二、ThreadLocal是什么？有什么用？

引入话题：在并发条件下，如何正确获得共享数据？举例：假设有多个用户需要获取用户信息，一个线程对应一个用户。在mybatis中，session用于操作数据库，那么设置、获取操作分别是session.set()、session.get()，如何保证每个线程都能正确操作达到想要的结果？

/**
 * 回顾synchronized在多线程共享线程的问题
 * @author qiuyongAaron
 */
public class ThreadLocalOne {
     volatile Person person=new Person();
 </span><span style="color: #0000ff;">public</span>  <span style="color: #0000ff;">synchronized</span><span style="color: #000000;"> String setAndGet(String name){
      </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">System.out.print(Thread.currentThread().getName()+":");</span>
       person.name=<span style="color: #000000;">name;
       </span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">模拟网络延迟</span>
       <span style="color: #0000ff;">try</span><span style="color: #000000;"> {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(</span>2<span style="color: #000000;">);
       } </span><span style="color: #0000ff;">catch</span><span style="color: #000000;"> (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
       }
       </span><span style="color: #0000ff;">return</span><span style="color: #000000;"> person.name;
 }

 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> main(String[] args) {
       ThreadLocalOne  threadLocal</span>=<span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> ThreadLocalOne();
       </span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;System.out.println(threadLocal.setAndGet("arron")),"t1"<span style="color: #000000;">).start();
       </span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;System.out.println(threadLocal.setAndGet("tony")),"t2"<span style="color: #000000;">).start();
 }

}
class Person{

String name="tom";

public Person(String name) {

this.name=name;

}
 </span><span style="color: #0000ff;">public</span><span style="color: #000000;"> Person(){}

}
运行结果：

无synchronized：

t1:tony

t2:tony
有synchronized：

t1:arron

t2:tony

步骤分析：

1. 无synchronized的时候，因为非原子操作，显然不是预想结果，可参考我关于synchronized的讨论。
2. 现在，我们的需求是：每个线程独立的设置获取person信息，不被线程打扰。
3. 因为，person是共享数据，用同步互斥锁synchronized，当一个线程访问共享数据的时候，其他线程堵塞，不再多余赘述。

 

通过举例问题，可能大家又会很疑惑？

mybatis、hibernate是如何实现的呢？

synchronized不会很消耗资源，当成千上万个操作的时候，承受并发不说，数据返回延迟如何确保用户体验？

 

ThreadLocal是什么？有什么用？

/**
 * 谈谈ThreadLocal的作用
 * @author qiuyongAaron
 */
public class ThreadLocalThree {
     ThreadLocal<Person> threadLocal=new ThreadLocal<Person>();
     public String setAndGet(String name){
           threadLocal.set(new Person(name));
           try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
           } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
           }
           return threadLocal.get().name;
     }
 </span><span style="color: #0000ff;">public</span> <span style="color: #0000ff;">static</span> <span style="color: #0000ff;">void</span><span style="color: #000000;"> main(String[] args) {
       ThreadLocalThree  threadLocal</span>=<span style="color: #0000ff;">new</span><span style="color: #000000;"> ThreadLocalThree();
       </span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;System.out.println("t1:"+threadLocal.setAndGet("arron")),"t1"<span style="color: #000000;">).start();
       </span><span style="color: #0000ff;">new</span> Thread(()-&gt;System.out.println("t2:"+threadLocal.setAndGet("tony")),"t2"<span style="color: #000000;">).start();
 }

}

运行结果：

t1:arron

t2:tony

 

分析：

1、根据预期结果，那ThreadLocal到底是什么？

回顾Java内存模型：

　　

      在虚拟机中，堆内存用于存储共享数据（实例对象），堆内存也就是这里说的主内存。

     每个线程将会在堆内存中开辟一块空间叫做线程的工作内存，附带一块缓存区用于存储共享数据副本。那么，共享数据在堆内存当中，线程通信就是通过主内存为中介，线程在本地内存读并且操作完共享变量操作完毕以后，把值写入主内存。

1. ThreadLocal被称为线程局部变量，说白了，他就是线程工作内存的一小块内存，用于存储数据。
2. 那么，ThreadLocal.set()、ThreadLocal.get()方法，就相当于把数据存储于线程本地，取也是在本地内存读取。就不会像synchronized需要频繁的修改主内存的数据，再把数据复制到工作内存，也大大提高访问效率。

 

2、ThreadLocal到底有什么用？

1. 回到最开始的举例，也就等价于mabatis、hibernate为什么要使用threadlocal来存储session？
2. 作用一：因为线程间的数据交互是通过工作内存与主存的频繁读写完成通信，然而存储于线程本地内存，提高访问效率，避免线程阻塞造成cpu吞吐率下降。
3. 作用二：在多线程中，每一个线程都需要维护session，轻易完成对线程独享资源的操作。

 

总结：

     Threadlocal是什么？在堆内存中，每个线程对应一块工作内存，threadlocal就是工作内存的一小块内存。

     Threadlocal有什么用？threadlocal用于存取线程独享数据，提高访问效率。

三、ThreadLocal源码简要总结？

那有同学可能还是有点云里雾里，感觉还是没有吃透？那线程内部如何去保证线程独享数据呢？

 

在这里，我只做简要总结，若有兴趣，可参考文章尾部的文章链接。重点看get、set方法。

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

分析：

1. 一个线程对应一个ThreadLocalMap ，可以存储多个ThreadLocal对象。
2. ThreadLocal对象作为key、独享数据作为value。
3. ThreadLocalMap可参考HashMap，在ThreadMap里面存在Entry数组也就是一个Entry一个键值对。

 

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();
    }

分析：

1. 一个线程对应一个ThreadLocalMap，get()就是当前线程获取自己的ThreadLocalMap。
2. 线程根据使用那一小块的threadlocal，根据ThreadLocal对象作为key，去获取存储于ThreadLocalMap中的值。

 

总结：

     回顾一下，我们在单线程中如何使用HashMap的？hashMap根据数组+链表来实现HashMap，一个key对应一个value。那么，我们抽象一下，Threadlocal也相当于在多线程中的一种HashMap用法，相当于对ThradLocal的操作也就如单线程操作一样。

     总之，ThreadLocal就是堆内存的一块小内存，它用ThreadLocalMap维护ThreadLocal对象作为key，独享数据作为value的东西。

 

四、ThreadLocal为什么会导致内存泄漏？

synchronized是用时间换空间、ThreadLocal是用空间换时间，为什么这么说？

因为synchronized操作数据，只需要在主存存一个变量即可，就阻塞等共享变量，而ThreadLocal是每个线程都创建一块小的堆工作内存。显然，印证了上面的说法。

 

一个线程对应一块工作内存，线程可以存储多个ThreadLocal。那么假设，开启1万个线程，每个线程创建1万个ThreadLocal，也就是每个线程维护1万个ThreadLocal小内存空间，而且当线程执行结束以后，假设这些ThreadLocal里的Entry还不会被回收，那么将很容易导致堆内存溢出。

 

怎么办？难道JVM就没有提供什么解决方案吗？

ThreadLocal当然有想到，所以他们把ThreadLocal里的Entry设置为弱引用，当垃圾回收的时候，回收ThreadLocal。

什么是弱引用？

1. Key使用强引用：也就是上述说的情况，引用的ThreadLocal的对象被回收了，ThreadLocal的引用ThreadLocalMap的Key为强引用并没有被回收，如果不手动回收的话，ThreadLocal将不会回收那么将导致内存泄漏。
2. Key使用弱引用：引用的ThreadLocal的对象被回收了，ThreadLocal的引用ThreadLocalMap的Key为弱引用，如果内存回收，那么将ThreadLocalMap的Key将会被回收，ThreadLocal也将被回收。value在ThreadLocalMap调用get、set、remove的时候就会被清除。
3. 比较两种情况，我们可以发现：由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长，如果都没有手动删除对应key，都会导致内存泄漏，但是使用弱引用可以多一层保障：弱引用ThreadLocal不会内存泄漏，对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove的时候会被清除。

 

那按你这么说，既然JVM有保障了，还有什么内存泄漏可言？

ThreadLocalMap使用ThreadLocal对象作为弱引用，当垃圾回收的时候，ThreadLocalMap中Key将会被回收，也就是将Key设置为null的Entry。如果线程迟迟无法结束，也就是ThreadLocal对象将一直不会回收，回顾到上面存在很多线程+TheradLocal，那么也将导致内存泄漏。

 

其实，在ThreadLocal中，当调用remove、get、set方法的时候，会清除为null的弱引用，也就是回收ThreadLocal。

总结：

1. JVM利用设置ThreadLocalMap的Key为弱引用，来避免内存泄露。
2. JVM利用调用remove、get、set方法的时候，回收弱引用。
3. 当ThreadLocal存储很多Key为null的Entry的时候，而不再去调用remove、get、set方法，那么将导致内存泄漏。
4. 当使用static ThreadLocal的时候，延长ThreadLocal的生命周期，那也可能导致内存泄漏。因为，static变量在类未加载的时候，它就已经加载，当线程结束的时候，static变量不一定会回收。那么，比起普通成员变量使用的时候才加载，static的生命周期加长将更容易导致内存泄漏危机。http://www.importnew.com/22039.html

 五、版权声明

　　作者：邱勇Aaron

　　出处：http://www.cnblogs.com/qiuyong/

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　　参考：马士兵并发编程、并发编程实践

　　　　　ThreadLocal源码分析：http://www.cnblogs.com/digdeep/p/4510875.html

　　　　　ThradLocal内存分析实例：http://blog.xiaohansong.com/2016/08/09/ThreadLocal-leak-analyze/

　　　　　ThreadLoal导致内存泄漏：http://www.importnew.com/22039.html