ThreadLocal面试六连问

转自：码农沉思录

　　中高级阶段开发者出去面试，应该躲不开ThreadLocal相关问题，本文就常见问题做出一些解答，欢迎留言探讨。

　　ThreadLocal为Java并发提供了一个新的思路， 它用来存储Thread的局部变量， 从而达到各个Thread之间的隔离运行。它被广泛应用于框架之间的用户资源隔离、事务隔离等。

　　但是用不好会导致内存泄漏， 本文重点用于对它的使用过程的疑难解答， 相信仔细阅读完后的朋友可以随心所欲的安全使用它。

1. 内存泄漏原因探索

　　ThreadLocal操作不当会引发内存泄露，最主要的原因在于它的内部类ThreadLocalMap中的Entry的设计。

　　Entry继承了WeakReference<ThreadLocal<?>>，即Entry的key是弱引用，所以key'会在垃圾回收的时候被回收掉， 而key对应的value则不会被回收， 这样会导致一种现象：key为null，value有值。

　　key为空的话value是无效数据，久而久之，value累加就会导致内存泄漏。

    static class ThreadLocalMap {

        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;

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

2. 怎么解决这个内存泄漏问题

　　每次使用完ThreadLocal都调用它的remove()方法清除数据。因为它的remove方法会主动将当前的key和value(Entry)进行清除。

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();   // 清除key
            expungeStaleEntry(i); // 清除value
            return;
        }
    }
}

　　e.clear()用于清除Entry的key，它调用的是WeakReference中的方法:this.referent = null

　　expungeStaleEntry(i)用于清除Entry对应的value， 这个后面会详细讲。

3. JDK开发者是如何避免内存泄漏的

　　ThreadLocal的设计者也意识到了这一点(内存泄漏)， 他们在一些方法中埋了对key=null的value擦除操作。

　　这里拿ThreadLocal提供的get()方法举例，它调用了ThreadLocalMap#getEntry()方法，对key进行了校验和对null key进行擦除。

private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    if (e != null && e.get() == key)
       return e;
    else
       return getEntryAfterMiss(key, i, e);
    }
}

　　如果key为null， 则会调用getEntryAfterMiss()方法，在这个方法中，如果k == null ， 则调用expungeStaleEntry(i);方法。

　　expungeStaleEntry(i)方法完成了对key=null 的key所对应的value进行赋空， 释放了空间避免内存泄漏。

　　同时它遍历下一个key为空的entry， 并将value赋值为null， 等待下次GC释放掉其空间。

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    // expunge entry at staleSlot
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    // Rehash until we encounter null
    Entry e;
    int i;
　　 // 遍历下一个key为空的entry, 并将value指向null
    for (i = nextIndex(staleSlot, len);
        (e = tab[i]) != null;
        i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        if (k == null) {
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        } else {
            int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
            if (h != i) {
                tab[i] = null;
                while (tab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, len);
                    tab[h] = e;
                }
            }
        }
        return i;
    }
}

　　同理， set()方法最终也是调用该方法(expungeStaleEntry)， 调用路径：

set(T value)->
map.set(this, value)->
rehash()->
expungeStaleEntries()
remove方法
remove()->
ThreadLocalMap.remove(this)->
expungeStaleEntry(i)

　　这样做， 也只能说尽可能避免内存泄漏， 但并不会完全解决内存泄漏这个问题。比如极端情况下我们只创建ThreadLocal但不调用set、get、remove方法等。所以最能解决问题的办法就是用完ThreadLocal后手动调用remove().

3. 手动释放ThreadLocal遗留存储?你怎么去设计/实现？

　　这里主要是强化一下手动remove的思想和必要性，设计思想与连接池类似。

　　包装其父类remove方法为静态方法，如果是spring项目， 可以借助于bean的声明周期， 在拦截器的afterCompletion阶段进行调用。

　　弱引用导致内存泄漏，那为什么key不设置为强引用

　　这个问题就比较有深度了，是你谈薪的小小资本。

　　如果key设置为强引用， 当threadLocal实例释放后， threadLocal=null， 但是threadLocal会有强引用指向threadLocalMap，threadLocalMap.Entry又强引用threadLocal， 这样会导致threadLocal不能正常被GC回收。

　　弱引用虽然会引起内存泄漏， 但是也有set、get、remove方法操作对null key进行擦除的补救措施， 方案上略胜一筹。

　　线程执行结束后会不会自动清空Entry的value，一并考察了你的gc基础。

　　事实上，当currentThread执行结束后， threadLocalMap变得不可达从而被回收，Entry等也就都被回收了，但这个环境就要求不对Thread进行复用，但是我们项目中经常会复用线程来提高性能， 所以currentThread一般不会处于终止状态。

5. Thread和ThreadLocal有什么联系呢

　　ThreadLocal的概念。

　　Thread和ThreadLocal是绑定的， ThreadLocal依赖于Thread去执行， Thread将需要隔离的数据存放到ThreadLocal(准确的讲是ThreadLocalMap)中, 来实现多线程处理。

6. Spring如何处理Bean多线程下的并发问题

　　ThreadLocal天生为解决相同变量的访问冲突问题， 所以这个对于spring的默认单例bean的多线程访问是一个完美的解决方案。spring也确实是用了ThreadLocal来处理多线程下相同变量并发的线程安全问题。

　　spring 如何保证数据库事务在同一个连接下执行的？

　　要想实现jdbc事务， 就必须是在同一个连接对象中操作， 多个连接下事务就会不可控， 需要借助分布式事务完成。那spring 如何保证数据库事务在同一个连接下执行的呢？

　　DataSourceTransactionManager 是spring的数据源事务管理器， 它会在你调用getConnection()的时候从数据库连接池中获取一个connection， 然后将其与ThreadLocal绑定， 事务完成后解除绑定。这样就保证了事务在同一连接下完成。

　　概要源码：

　　1.事务开始阶段：

org.springframework.jdbc.datasource.DataSourceTransactionManager#doBegin
　　　　->TransactionSynchronizationManager#bindResource
　　　　->org.springframework.transaction.support.TransactionSynchronizationManager#bindResource

public static void bindResource(Object key, Object value) throws IllegalStateException {
    Object actualKey = TransactionSynchronizationUtils.unwrapResourceIfNecessary(key);
    Assert.notNull(value, "Value must not be null");
    // ThreadLocal<Map<Obj,Obj>> resources; 从ThreadLocal中拿到value值，即Map对象
　　 Map<Object, Object> map = (Map)resources.get();
    if (map == null) {
        map = new HashMap();
        resources.set(map);
    }
    // 往Map中赋值，将DBSource与Conn分别作为kv存储
    Object oldValue = ((Map)map).put(actualKey, value);
    if (oldValue instanceof ResourceHolder && ((ResourceHolder)oldValue).isVoid()) {
        oldValue = null;
    }
    if (oldValue != null) {
        throw new IllegalStateException("Already value [" + oldValue + "] for key [" 
　　　　　　　　+ actualKey + "] bound to thread [" + Thread.currentThread().getName() + "]");
    } else {
        if (logger.isTraceEnabled()) {
            logger.trace("Bound value [" + value + "] for key [" + actualKey + "] to thread [" + Thread.currentThread().getName() + "]");
        }
    }
}

　　2.事务结束阶段:

org.springframework.jdbc.datasource.DataSourceTransactionManager#doCleanupAfterCompletion
　　　　->TransactionSynchronizationManager#unbindResource
　　　　->org.springframework.transaction.support.TransactionSynchronizationManager#unbindResource
　　　　->TransactionSynchronizationManager#doUnbindResource

private static Object doUnbindResource(Object actualKey) {
    // sources对象类型是ThreadLocal<Map<Obj,Obj>>
    Map<Object, Object> map = (Map)resources.get();
    if (map == null) {
        return null;
    } else {
        // 删除map的Entry
        Object value = map.remove(actualKey);
        if (map.isEmpty()) {
            // 这里对ThreadLocal的Entry进行移除
            resources.remove();
        }

        if (value instanceof ResourceHolder && ((ResourceHolder)value).isVoid()) {
            value = null;
        }

        if (value != null && logger.isTraceEnabled()) {
            logger.trace("Removed value [" + value + "] for key [" 
　　　  　　　　　+ actualKey + "] from thread [" + Thread.currentThread().getName() + "]");
        }

        return value;
    }
}