ThreadLocal的学习

1. 为什么使用ThreadLocal?

　　假设我们开发某平台服务，提供一系列接口，客户访问时需要必须传入user信息，服务端最好是将user信息保存为全局变量，一边在处理某一次请求的过程中能够随时获取，而无需费力进行参数的透传。对于服务端而言，每一个请求，就是一个线程，而每个请求传来的user信息，也就应该只属于这个线程，那么有没有什么方法，能把user信息与当前线程绑定呢？ThreadLocal就提供了这样的方法。

 

2. 一个例子

　　根据java.lang.ThreadLocal类的注释，通常使用ThreadLocal，使用private static来修饰，ThreadLocal被定义为一个静态变量，所以，多个线程其实会共用同一个ThreadLocal对象，但每一个线程都会持有ThreadLocal的副本，所以并不会造成资源共享上的问题，具体原因会在下一节的实现原理中解释。下面的代码是是使用TheadLocal的一个例子，例子出自《thinking in java》

public class ThreadLocalVariableHolder {
    private static ThreadLocal<Integer> value = new ThreadLocal<Integer>(){　　// ThreadLocal对象“持有”Integer变量
        private Random rand = new Random();
        protected Integer initialValue() {      // initalValue方法，会给ThreadLocal的Integer变量设置一个初始值
            return rand.nextInt(10000);　　　　　 // 随机设置一个初始值　
        }
    };
    public static void increment() {
        value.set(value.get() + 1);　　　　　　// ThreadLocal“持有”的Integer值增1
    }

    public static int get() {
        return value.get();　　　　　　　　　　// 获取ThreadLocal“持有”的Integer
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            exec.execute(new Accessor(i));
        }
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
        exec.shutdownNow();
    }
}

class Accessor implements Runnable {　　　　// 开线程去跑，每个线程会去调用 ThreadLocalVariableHolder.increment()方法递增ThreadLocal中的Integer值
    private final int id;
    public Accessor(int idn) {
        id = idn;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            ThreadLocalVariableHolder.increment();
            System.out.println(this);
            Thread.yield();
        }
    }

    public String toString() {　　　　　　// 打印出当前线程对应的Integer值
        return "#" + id + ": " + ThreadLocalVariableHolder.get();
    }
}

　　上述程序开了5个线程，每个线程都会去递增ThreadLocal中的Integer值，值得注意的是，ThreadLocal是static变量，按照一般地理解，这5个线程应该是去递增同一个ThreadLocal中的Integer值吧？实际并不是，从结果中也可以印证

，看起来是每个线程都各自独立存有一份Integer变量并且是相互隔离的，这在下节将会分析。

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#4: 4599
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#1: 1721
#2: 2868
#4: 4600

 

3.ThreadLocal的实现原理

　　先抛开ThreadLocal不谈，在Java中，一切皆为对象，所以线程也是对象，设想一下，如果要做到变量的线程隔离，那么就应该是在每个线程对象中，分别保存这个变量在当前线程中的值，可以用下图来描述: 两个线程共用变量i，i在两个线程中的值不同。每个线程保存一份共享变量i的副本，直接把i和thread对象关联是无法实现的，这就需要借助于ThreadLocal对象了。

　　ThreadLocal<>实现了泛型，其泛型参数就是程序中想要线程隔离的变量的类型，比如上图中的变量i，把变量i用ThreadLocal<Integer>封装起来，声明为

private static TheadLocal<Integer> value = new ThreadLocal<>();

文档中建议使用private static来声明ThreadLocal。ThreadLocal提供了get()和set()方法（参考上面的例子）来设置和获取变量值。如果要实现线程隔离，那么按照上图的模型，每个Thread对象都应该持有一份此ThreadLocal对象的副本，上图模型修改为下图所示：

设想一下，一次会话中可能会有多处声明了ThreadLocal来封装多个需要隔离的变量，那么Thread对象中就应该持有多个ThreaLocal对象，上图的模型进一步改进为：

线程中，每个ThreadLocal对象都对应着一个相应变量的值，这里我们自然而然的会想到，既然有多个ThreadLocal对象，那么应该使用集合来将其容纳。如果使用List的话，List中的每个元素都是一个TheadLocal对象，这样，就需要将ThreadLocal对象相对应的变量保存在ThreadLocal对象中，ThreadLocal对象中就需要有属性来持有这些变量的值，那么对于同一个ThreadLocal对象，不同的线程中的ThreadLocal应该保存不同的值，显然将值直接封装入ThreadLocal中很难实现。实际上，Java的设计中，Thead对象持有一个映射表的引用，ThreadLocal对象作为映射表的key，而隔离变量的值作为映射表的值。打开Thread类的源码，可以看到一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap。

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

ThreadLocalMap是不同于HashMap的映射表，模型进一步更改为如下图所示：

　　上图就是最终的模型，使用这种模型，就不存在共享资源线程安全的问题，每个线程资源之间相互隔离，对于存储会话的session或者上下文信息非常适用。

 

4.ThreadLocal源码分析

　　本节主要分析ThreadLocal的核心代码实现。首先浏览类和成员变量的注释，类的注释的大致意思实际就是上节我们分析的内容。注意到几个关于HashCode的属性：

public class ThreadLocal<T> {
    /**
     * ThreadLocals rely on per-thread linear-probe hash maps attached
     * to each thread (Thread.threadLocals and
     * inheritableThreadLocals).  The ThreadLocal objects act as keys,
     * searched via threadLocalHashCode.  This is a custom hash code
     * (useful only within ThreadLocalMaps) that eliminates collisions
     * in the common case where consecutively constructed ThreadLocals
     * are used by the same threads, while remaining well-behaved in
     * less common cases.
     */
    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

    /**
     * The next hash code to be given out. Updated atomically. Starts at
     * zero.
     */
    private static AtomicInteger nextHashCode =
        new AtomicInteger();

    /**
     * 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;

    /**
     * Returns the next hash code.
     */
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }

...
}

上节我们知道，ThreadLocal对象是作为ThreadLocalMap中的key，根据这个key来检索对应的值，而根据什么检索？就是对于同一个线程，每个ThreadLocal都有一个唯一的ID，即threadLocalHashCode，通过这个值就可以检索映射表从而找到相应的值。上面代码无非就是告诉怎么生成HashCode，可以总结如下：

　　1）每实例化一个ThreadLocal，都调用nextHashCode生成下一个HashCode；

　　2）nextHashCode调用nextHashCode生成下一个HashCode；

　　3)  nextHashCode是AtomicInteger的实例，它的操作是原子的，并且被定义为static的，即在ThreadLocal第一次被使用的时候就会实例化nextHashCode对象，值从0开始；

　　4）为什么使用0x61c88647？这是因为ThreadLocalMap中的数组大小定义为2的幂，而0x61c88647这个数可以使ThreadLocal对象均匀地分布在2的幂次方大小的数组中，至于为什么不在本文的讨论范围。

　

　　第二节的例子中，实例化ThreadLocal的时候，重写ThreadLocal.InitialValue，这个方法是在ThreadLocal.get()中调用的，如果没有值，就会获取你自定义的初始值。

protected T initialValue() {
        return null;
    }

 　　看set方法

/**
     * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
     * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
     * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
     * method to set the values of thread-locals.
     *
     * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
     *        this thread-local.
     */
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

使用当前线程t去获取其持有的ThreadLocalMap引用，如果为null，说明此线程还没有指向ThreadLocalMap，就去创建一个；如果不为null，就更新当前ThreadLocal对应的值。首先看一下createMap(t,value)方法

void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

/**
         * Construct a new map initially containing (firstKey, firstValue).
         * ThreadLocalMaps are constructed lazily, so we only create
         * one when we have at least one entry to put in it.
         */
        ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
            table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
            int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);　　// 模运算取求索引
            table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
            size = 1;
            setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
        }

就是创建一个新的ThreadLocalMap对象，这个映射表内部维护一个数组table，元素是Entry对象，和HashMap类似，Entry对象封装key(ThreadLocal)和value(实际值)，数组的初始大小是16。

　　实际上，调用ThreadLocal.get()或者ThreadLocal.set()等方法，就是调用ThreadLocalMap.get()以及ThreadLocalMap.set()等方法，更新值时使用的set方法，会调用ThreadLocalMap.set()方法，源码如下：

/**
         * Set the value associated with key.
         *
         * @param key the thread local object
         * @param value the value to be set
         */
        private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

            // We don't use a fast path as with get() because it is at
            // least as common to use set() to create new entries as
            // it is to replace existing ones, in which case, a fast
            // path would fail more often than not.

            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);　　// 求索引

            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {　　　　// 遍历
                ThreadLocal<?> k = e.get();

                if (k == key) {
                    e.value = value;
                    return;
                }

                if (k == null) {
                    replaceStaleEntry(key, value, i);
                    return;
                }
            }

            tab[i] = new Entry(key, value);
            int sz = ++size;
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                rehash();
        }

以上方法就是根据key，找到对应的Entry，更新Entry的值。

　　ThreadLocal.get()方法同理，也是调用ThreadLoclMap.get()

/**
     * Returns the value in the current thread's copy of this
     * thread-local variable.  If the variable has no value for the
     * current thread, it is first initialized to the value returned
     * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
     *
     * @return the current thread's value of this thread-local
     */
    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();
    }

　　注意到，get和set方法都用到了Entry对象，Entry的定义如下:

static class ThreadLocalMap {

        /**
         * The entries in this hash map extend WeakReference, using
         * its main ref field as the key (which is always a
         * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
         * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
         * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
         * as "stale entries" in the code that follows.
         */
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

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

　　可以看到Entry继承了WeakReference，entry的key也就是ThreadLocal对象的引用，作为一个弱引用(super(k))，Entry中持有实际值的强引用value。那么这里为什么使用弱引用来指向ThreadLocal对象呢？Java中的解释是：

To help deal with very large and long-lived usages, the hash table entries use WeakReferences for keys.

 　　意思是，为了应对非常大和长生命周期的引用，哈希表使用key的弱引用。怎么理解呢？首先我们看一下下图的引用关系，虚线表示是弱引用，弱引用在Java中是一种有别于我们一般使用的强引用的引用，弱引用不影响指向对象的生命周期，即如果除了弱引用之外的指向ThreadLocal的强引用都被解除后，那么这个ThreadLocal对象就可以被GC掉。从下图看，就是如果ThreadLocalRef 指向的ThreadLocl的引用断掉后，ThreadLocal对象就可以被GC了，即使这时候还有Key这个弱引用。其实这样做是为了减少内存泄漏发生的几率，假如key使用强引用，存在着CurrentThreadRef -> CurrentThread -> Map -> Key -> ThreadLocal这样一条引用链，那么当ThreadLocalRef被销毁后，实际上程序的意图就是不再使用ThreadLocal了，而我们知道一个线程的生命周期有可能很长，即CurrentThreadRef -> CurrentThread -> Map -> Key -> ThreadLocal这条引用链可能会存在很长时间，这样就造成这样一个结果：明明不再使用ThreadLocal了，但是它无法被GC掉，除非我们去手动将key引用设置为null，这样的话，不如将key设置为弱引用来的保险，至少能保证ThreadLocal对象不会内存泄漏。

 

　　　　但是key设置为弱引用，即便key指向的ThreadLocal被回收了，get(key)返回的就是null。但是由于Entry中的value是强引用，与这个key配对的value并不能被回收，造成value对象内存泄漏了。Java中，称这种key为null的Entry为stale slots. 我们在上面ThreadLocalMap.set(0方法中已经看到了这段代码：

if (k == null) {
          replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
   }         

意思是： 如果k为null，说明当前Entry的key指向的ThreadLocl被回收了，这时候传来的key是新的ThreadLocal(拥有相同的索引)，这时候，就用新的Entry代替原来的Entry，此外该方法还做了一些垃圾清理的工作，比如之前的key为null但是value不为null造成value无法被清除。实际上，ThreadLocalMap的get()，set()，remove()等方法对key为nullvalue不为null的Entry做了清理工作以防止内存泄漏。为了确实避免内存泄漏，建议在需要销毁线程私有变量的时候，手动调用ThreadLocal.remove()方法，这样就会保证value对象也不会内存泄漏了。