Java并发编程之ThreadLocal解析
本文讨论的是JDK 1.8中的ThreadLocal
ThreadLocal概念
ThreadLocal多线程间并发访问变量的解决方案，为每个线程提供变量的副本，用空间换时间。
- ThreadLocal在每个线程中对该变量会创建一个副本，即每个线程内部都会有一个该变量，且在线程内部任何地方都可以使用，线程之间互不影响，实现线程隔离，这样一来就不存在线程安全问题，也不会严重影响程序执行性能
- 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
- 如果使用ThreadLocal，通常定义为private static类型，在我看来最好是定义为private static final类型
ThreadLocal使用场景
个人认为只要满足以下两点需求，就可以考虑使用ThreadLocal
- 每个线程需要有自己单独的实例
- 实例需要在多个方法中共享，但不希望被多线程共享
比如：创建数据库连接，在多线程情况下，我们肯定不希望出现A线程拿到连接未执行完，B线程就把它关闭或多个线程共用一个连接导致数据操作混乱等情况。而我们正确的姿势应该会撸上以下这样的类似代码：
private static ThreadLocal<Connection> connTl = new ThreadLocal<>();
public static Connection getConnection() throws SQLException{
Connection conn = connTl.get();
if(conn==null){
conn = dataSource.getConnection();
connTl.set(conn);
}
return conn;
}
ThreadLocal常用方法介绍
class ThreadLocal<T> {
T get();
void set(T value);
void remove();
}
设置当前线程的线程局部变量的值
public void set(T value);
返回当前线程所对应的线程局部变量
public T get();
删除该线程当前线程局部变量的值
public void remove()
ThreadLocal源码解析
在看常用方法源码前，我们要先了解下ThreadLocalMap
ThreadLocalMap是ThreadLocal内部的一个静态类
static class ThreadLocalMap {
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
/**
* 初始容量
*/
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* 实体表
*/
private Entry[] table;
/**
* 表初始大小
*/
private int size = 0;
/**
* 扩容上限，当size到达threashold时，需要resize整个Map，threshold的初始值为len * 2 / 3
*/
private int threshold; // Default to 0
/**
* 将调整大小阈值设置为最坏情况下保持2/3的负载因子。
*/
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}
/**
* 获取下一个索引，超出长度则返回0
*/
private static int nextIndex(int i, int len) {
return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}
/**
* 返回上一个索引，如果-1为负数，返回长度-1的索引
*/
private static int prevIndex(int i, int len) {
return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}
/**
* 构造参数创建一个ThreadLocalMap代码
* ThreadLocal为key，我们的泛型为value
*/
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
size = 1;
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
/**
* ThreadLocal本身是线程隔离的，按道理是不会出现数据共享和传递的行为的
* 这是InheritableThreadLocal提供了了一种父子间数据共享的机制
*/
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++;
}
}
}
}
/**
* 获取ThreadLocal的索引位置，通过下标索引获取内容
*/
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
// 通过hashcode确定下标
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
// 如果找到则直接返回
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
// 找不到的话接着从i位置开始向后遍历，基于线性探测法，是有可能在i之后的位置找到的
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 循环向后遍历
while (e != null) {
// 获取节点对应的k
ThreadLocal<?> k = e.get();
// 相等则返回
if (k == key)
return e;
// 如果为null，触发一次连续段清理
if (k == null)
expungeStaleEntry(i);
// 获取下一个下标接着进行判断
else
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}
/**
* ThreadLocalMap的set方法，通过这个方法，我们可以看出该哈希表是用线性探测法来解决冲突的
*/
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
// 新开一个引用指向table
Entry[] tab = table;
// 获取table的长度
int len = tab.length;
// 获取对应ThreadLocal在table当中的下标
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
// 从该下标开始循环遍历
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
// 如遇相同key，则直接替换value
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
// 如果该key已经被回收失效，则替换该失效的key
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
// 找到空的位置，创建Entry对象并插入
tab[i] = new Entry(key, value);
// table内元素size自增
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
/**
* 移除key方法
*/
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;
}
}
}
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
int staleSlot) {
// 建个引用变量指向table
Entry[] tab = table;
// 获取table长度
int len = tab.length;
Entry e;
// 记录当前失效的节点下标
int slotToExpunge = staleSlot;
/**
* 由staleSlot下标开始向前扫描,查找并记录最前位置value为null的下标
*/
for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = prevIndex(i, len))
if (e.get() == null)
slotToExpunge = i;
/**
* 由staleSlot下标开始向后扫描
*/
for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
// 获取Entry节点对应的ThreadLocal对象
ThreadLocal<?> k = e.get();
/**
* 如果与新的key对应，直接赋值value，替换i与staleSlot两个下标
*/
if (k == key) {
e.value = value;
tab[i] = tab[staleSlot];
tab[staleSlot] = e;
if (slotToExpunge == staleSlot)
slotToExpunge = i;
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
return;
}
/* 如果当前下标所在已经失效，并且向后扫描过程当中没有找到失效的Entry节点，则slotToExpunge赋值为当前位置*/
if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
slotToExpunge = i;
}
// 如果并没有在table当中找到该key，则直接在当前位置new一个Entry
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = new Entry(key, value);
if (slotToExpunge != staleSlot)
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}
/**
* 核心清理函数，它主要做的事情就是
* 1、从staleSlot开始，向后遍历将ThreadLocal对象被回收所在Entry节点的value和Entry节点本身设置null，方便GC，并且size自减1
* 2、会对非null的Entry节点进行rehash，只要不是在当前位置，就会将Entry挪到下一个为null的位置上
* 所以实际上是对从staleSlot开始做一个连续段的清理和rehash操作
*/
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
//获取长度
int len = tab.length;
// 将传过来的下标置null
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
Entry e;
int i;
//遍历删除指定节点所有后续节点当中，ThreadLocal被回收的节点
for (i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
//获取entry当中的key
ThreadLocal<?> k = e.get();
// 如果ThreadLocal为null，则将value以及数组下标所在位置设置null，方便GC并且size-1
if (k == null) {
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else { //如果不为null
//重新计算key的下标
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
// 如果是当前位置则遍历下一个
// 不是当前位置，则重新从i开始找到下一个为null的坐标进行赋值
if (h != i) {
tab[i] = null;
while (tab[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
tab[h] = e;
}
}
}
return i;
}
/**
* 清理被回收的Entry
*/
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];
// Entry对象不为空，但是ThreadLocal这个key已经为null,则清除
if (e != null && e.get() == null) {
n = len;
removed = true;
// 调用清理函数
i = expungeStaleEntry(i);
}
} while ( (n >>>= 1) != 0);
return removed;
}
/**
* rehash操作
*/
private void rehash() {
expungeStaleEntries();
// Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
if (size >= threshold - threshold / 4)
resize();
}
/**
* 对table进行扩容，因为要保证table的长度是2的幂，所以扩容就扩大2倍
*/
private void resize() {
Entry[] oldTab = table;
//旧表长度
int oldLen = oldTab.length;
//新表长度
int newLen = oldLen * 2;
Entry[] newTab = new Entry[newLen];
int count = 0;
/**
* 从下标0开始，逐个向后遍历插入到新的table当中
* 1、如遇到key已经为null，则value设置null，方便GC回收
* 2、通过hashcode & len - 1计算下标，如果该位置已经有Entry数组，则通过线性探测向后探测插入
*/
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++;
}
}
}
//重新设置扩容的阈值
setThreshold(newLen);
//更新size
size = count;
//指向新的Entry数组
table = newTab;
}
/**
* 清除table中所有无用的entry
*/
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);
}
}
}
get方法
public T get() {
// 获取当前的Thread对象
Thread t = Thread.currentThread();
// 通过getMap获取Thread内的ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
// 如果map已经存在，以当前的ThreadLocal为键，获取Entry对象，并从从Entry中取出值
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
// 如果map为空,则调用setInitialValue进行初始化
return setInitialValue();
}
getMap方法
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
//返回线程中ThreadLocalMap
return t.threadLocals;
}
//Thread.java类threadLocals属性
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocalMap引用其实是存在ThreadLocal类里面的
Entry实体
//Entry是一个key-value结构，key为ThreadLocal，value为存储的值
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
setInitialValue方法
setInitialValue在Map不存在的时候调用
private T setInitialValue() {
//调用initialValue生成一个初始的value值，深入initialValue函数，我们可知它就是返回一个null
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
//获取ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
//如果不存在则会调用createMap创建ThreadLocalMap
createMap(t, value);
return value;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
//new一个ThreadLocalMap对象进去
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
set方法
public void set(T value) {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//获取map
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
map.set(this,value)方法
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//根据key计算出位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
//循环检测
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//如果Entry已经存在并且key等于传入的key，那么这时候直接给这个Entry赋新的value值。
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
//如果Entry存在，但是key为null，则调用replaceStaleEntry来更换这个key为空的Entry
if (k == null) {
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
//创建一个entry
tab[i] = new Entry(key, value);
//sz加1
int sz = ++size;
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
remove方法
public void remove() {
//获取map
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
//调用map的remove
m.remove(this);
}
ThreadLocalMap.remove(this)方法
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//获取索引位置
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
//循环遍历table表
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
//如果找到,调调用清除相关方法,并结束循环
if (e.get() == key) {
//调用weakrefrence的clear()清除引用
e.clear();
//连续段清除
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}
