Java中ThreadLocal的用法和原理

用法

• 隔离各个线程间的数据
• 避免线程内每个方法都进行传参，线程内的所有方法都可以直接获取到ThreadLocal中管理的对象。

package com.example.test1.service;

import org.springframework.scheduling.annotation.Async;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

@Component
public class AsyncTest {

    // 使用threadlocal管理
    private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"));

    // 不用threadlocal进行管理，用于对比
    SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat();

    // 线程名称以task开头
    @Async("taskExecutor")
    public void formatDateSync(String format, Date date) throws InterruptedException {
        SimpleDateFormat simpleDateFormat = dateFormatLocal.get();
        simpleDateFormat.applyPattern(format);
        
        // 所有方法都可以直接使用这个变量，而不用根据形参传入
        doSomething();
        
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("sync " + Thread.currentThread().getName() +  " | " + simpleDateFormat.format(date));
        
        // 线程执行完毕，清除数据
        dateFormatLocal.remove();
    }

    // 线程名称以task2开头
    @Async("taskExecutor2")
    public void formatDate(String format, Date date) throws InterruptedException {
        dateFormat.applyPattern(format);
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("normal " + Thread.currentThread().getName() +  " | " + dateFormat.format(date));
    }
}

使用junit进行测试：

	@Test
	void test2() throws InterruptedException {
		for(int index = 1; index <= 10; ++index){
			String format = index + "-yyyy-MM-dd";
			Date time = new Date();
			asyncTest.formatDate(format, time);
		}

		for(int index = 1; index <= 10; ++index){
			String format = index + "-yyyy-MM-dd";
			Date time = new Date();
			asyncTest.formatDateSync(format, time);
		}
	}

结果如下，可以看到没有被 ThreadLocal 管理的变量已经无法匹配正确的format。

sync task--10 | 10-2023-04-11
sync task--9 | 9-2023-04-11
normal task2-3 | 2-2023-04-11
normal task2-5 | 2-2023-04-11
normal task2-10 | 2-2023-04-11
normal task2-6 | 2-2023-04-11
sync task--1 | 1-2023-04-11
normal task2-7 | 2-2023-04-11
normal task2-8 | 2-2023-04-11
normal task2-9 | 2-2023-04-11
sync task--6 | 6-2023-04-11
sync task--3 | 3-2023-04-11
sync task--2 | 2-2023-04-11
sync task--7 | 7-2023-04-11
sync task--4 | 4-2023-04-11
sync task--8 | 8-2023-04-11
normal task2-4 | 2-2023-04-11
normal task2-1 | 2-2023-04-11
sync task--5 | 5-2023-04-11
normal task2-2 | 2-2023-04-11

实现原理

从ThreadLocal中获取数据的过程：

• 先获取对应的线程。
• 通过 getMap(t)拿到线程中的 ThreadLocalMap
• ThreadLocalMap 是一个重新实现的散列表，基于两个元素实现散列：
  • 用户定义的ThreadLocal对象，例如：dateFormatLocal。
  • 封装了value的Entry对象。
• 通过map.getEntry(this)方法，根据当前的 threadlocal对象在散列表中获得对应的Entry
• 如果是第一次使用get()， 则使用 setInitialValue()调用用户重写的initialValue()方法创建map并使用用户指定的值初始化。

在这种设计方式下，线程死去的时候，线程共享变量ThreadLocalMap会被销毁。

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();
}

注意 Entry对象是弱引用：

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

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

弱引用的常见用法是：

WeakReference<RoleDTO> weakReference = new WeakReference<>(new RoleDTO());

因此，在Entry中，k 代表ThreadLocal对象，它是弱引用。v代表ThreadLocal管理的那个value，是强引用。

内存泄漏

内存泄漏是指无用对象（不再使用的对象）持续占有内存或无用对象的内存得不到及时释放，从而造成内存空间的浪费称为内存泄漏。随着垃圾回收器活动的增加以及内存占用的不断增加，程序性能会逐渐表现出来下降，极端情况下，会引发OutOfMemoryError导致程序崩溃。

内存泄漏问题主要在线程池中出现，因为线程池中的线程是不断执行的，从任务队列中不断获取新的任务执行。但是任务中可能有ThreadLocal对象，这些对象的ThreadLocal会保存在线程的ThreadLocalMap中，因此ThreadLocalMap会越来越大。

但是ThreadLocal是由任务（worker）传入的，一个任务执行结束后，对应的ThreadLocal对象会被销毁。线程中的关系是： Thread -> ThreadLoalMap -> Entry<ThreadLocal, Object>。ThreadLocal由于是弱引用会，在GC的时候会被销毁，这会导致 ThreadLoalMap中存在Entry<null, Object>。

使用remove()

由于线程池中的线程一直在运行，如果不对ThreadLoalMap进行清理，那Entry<null, Object>会一直占用内存。remove()方法会清除key==null的Entry。

使用static修饰

将ThreadLocal设置成static可以避免一个线程类多次传入线程池后重复创建Entry。例如，有一个用户定义的线程

public class Test implements Runnable{
    private static ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<>();
    @Override
    public void run() {
        // do something
    }
}

使用线程池处理10个任务。那么线程池中每个用来处理任务的线程的Thread.ThreadLocalMap中都会保存一个Entry<local, Integer>，由于添加了static关键字，所有每个线程中的Entry中的local变量引用的都是同一个变量。这时就算发生内存泄漏，所有的Test类也只有一个local对象，不会导致内存占用过多。

@Test
void contextLoads() {
   Runnable runnable = () -> {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName());
   };

   for(int index = 1; index <= 10; ++index){
      taskExecutor2.submit(new com.example.test1.service.Test());
   }
}