[知乎]聊一聊threadlocal

作者：李二狗
链接：https://www.zhihu.com/question/341005993/answer/1996544027
来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

抛出这8个问题，来聊一聊ThreadLocal。

0、问题

1. 和Synchronized的区别
2. 存储在jvm的哪个区域
3. 真的只是当前线程可见吗
4. 会导致内存泄漏么
5. 为什么用Entry数组而不是Entry对象
6. 你学习的开源框架哪些用到了ThreadLocal
7. ThreadLocal里的对象一定是线程安全的吗
8. 笔试题

一、概述

1、官方术语

ThreadLocal类是用来提供线程内部的局部变量。让这些变量在多线程环境下访问（get/set）时能保证各个线程里的变量相对独立于其他线程内的变量。

2、大白话

ThreadLocal是一个关于创建线程局部变量的类。

通常情况下，我们创建的成员变量都是线程不安全的。因为他可能被多个线程同时修改，此变量对于多个线程之间彼此并不独立，是共享变量。而使用ThreadLocal创建的变量只能被当前线程访问，其他线程无法访问和修改。也就是说：将线程公有化变成线程私有化。

二、应用场景

• 每个线程都需要一个独享的对象（比如工具类，典型的就是SimpleDateFormat，每次使用都new一个多浪费性能呀，直接放到成员变量里又是线程不安全，所以把他用ThreadLocal管理起来就完美了。）

比如：

/**
 * Description: SimpleDateFormat就一份，不浪费资源。
 *
 * @author TongWei.Chen 2020-07-10 14:00:29
 */
public class ThreadLocalTest05 {

    public static String dateToStr(int millisSeconds) {
        Date date = new Date(millisSeconds);
        SimpleDateFormat simpleDateFormat = ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal.get();
        return simpleDateFormat.format(date);
    }

    private static final ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 3000; i++) {
            int j = i;
            executorService.execute(() -> {
                String date = dateToStr(j * 1000);
                // 从结果中可以看出是线程安全的，时间没有重复的。
                System.out.println(date);
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

class ThreadSafeFormatter {
    public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal() {
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
        }
    };

    // java8的写法，装逼神器
//    public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal =
//            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss"));
}

细心的朋友已经发现了，这TM也是每个线程都创建一个SimpleDateFormat啊，跟直接在方法内部new没区别，错了，大错特错！1个请求进来是一个线程，他可能贯穿了N个方法，你这N个方法假设有3个都在使用dateToStr()，你直接new的话会产生三个SimpleDateFormat对象，而用ThreadLocal的话只会产生一个对象，一个线程一个。

• 每个线程内需要保存全局变量（比如在登录成功后将用户信息存到ThreadLocal里，然后当前线程操作的业务逻辑直接get取就完事了，有效的避免的参数来回传递的麻烦之处），一定层级上减少代码耦合度。

再细化一点就是：

• 比如存储 交易id等信息。每个线程私有。
• 比如aop里记录日志需要before记录请求id，end拿出请求id，这也可以。
• 比如jdbc连接池（很典型的一个ThreadLocal用法）
• ....等等....

三、核心知识

1、类关系

每个Thread对象中都持有一个ThreadLocalMap的成员变量。每个ThreadLocalMap内部又维护了N个Entry节点，也就是Entry数组，每个Entry代表一个完整的对象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

核心源码如下

// java.lang.Thread类里持有ThreadLocalMap的引用
public class Thread implements Runnable {
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

// java.lang.ThreadLocal有内部静态类ThreadLocalMap
public class ThreadLocal<T> {
    static class ThreadLocalMap {
        private Entry[] table;
        
        // ThreadLocalMap内部有Entry类，Entry的key是ThreadLocal本身，value是泛型值
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
    }
}

2、类关系图

ThreadLocal内存结构图。

 

 

3、主要方法

• initialValue：初始化。在get方法里懒加载的。
• get：得到这个线程对应的value。如果调用get之前没set过，则get内部会执行initialValue方法进行初始化。
• set：为这个线程设置一个新值。
• remove：删除这个线程对应的值，防止内存泄露的最佳手段。

3.1、initialValue

3.1.1、什么意思

见名知意，初始化一些value（泛型值）。懒加载的。

3.1.2、触发时机

调用get方法之前没有调用set方法，则get方法内部会触发initialValue，也就是说get的时候如果没拿到东西，则会触发initialValue。

3.1.3、补充说明

• 通常，每个线程最多调用一次此方法。但是如果已经调用了remove()，然后再次调用get()的话，则可以再次触发initialValue。
• 如果要重写的话一般建议采取匿名内部类的方式重写此方法，否则默认返回的是null。

比如：

public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal() {
    @Override
    protected SimpleDateFormat initialValue() {
        return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
    }
};
// Java8的高逼格写法
public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss"));

3.1.4、源码

// 由子类提供实现。
// protected的含义就是交给子类干的。
protected T initialValue() {
    return null;
}

3.2、get

3.2.1、什么意思

获取当前线程下的ThreadLocal中的值。

3.2.2、源码

/**
 * 获取当前线程下的entry里的value值。
 * 先获取当前线程下的ThreadLocalMap，
 * 然后以当前ThreadLocal为key取出map中的value
 */
public T get() {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap对象。
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 若获取到了。则获取此ThreadLocalMap下的entry对象，若entry也获取到了，那么直接获取entry对应的value返回即可。
    if (map != null) {
        // 获取此ThreadLocalMap下的entry对象
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        // 若entry也获取到了
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            // 直接获取entry对应的value返回。
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 若没获取到ThreadLocalMap或没获取到Entry，则设置初始值。
    // 知识点：我早就说了，初始值方法是延迟加载，只有在get才会用到，这下看到了吧，只有在这获取没获取到才会初始化，下次就肯定有值了，所以只会执行一次！！！
    return setInitialValue();
}

3.3、set

3.3.1、什么意思

其实干的事和initialValue是一样的，都是set值，只是调用时机不同。set是想用就用，api摆在这里，你想用就调一下set方法。很自由。

3.3.2、源码

/**
 * 设置当前线程的线程局部变量的值
 * 实际上ThreadLocal的值是放入了当前线程的一个ThreadLocalMap实例中，所以只能在本线程中访问。
 */
public void set(T value) {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap实例，注意这里是将t传进去了，t是当前线程，就是说ThreadLocalMap是在线程里持有的引用。
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 若当前线程有对应的ThreadLocalMap实例，则将当前ThreadLocal对象作为key，value做为值存到ThreadLocalMap的entry里。
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        // 若当前线程没有对应的ThreadLocalMap实例，则创建ThreadLocalMap，并将此线程与之绑定
        createMap(t, value);
}

3.4、remove

3.4.1、什么意思

将当前线程下的ThreadLocal的值删除，目的是为了减少内存占用。主要目的是防止内存泄漏。内存泄漏问题下面会说。

3.4.2、源码

/**
 * 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存占用。主要目的是防止内存泄漏。内存泄漏问题下面会说。
 */
public void remove() {
    // 获取当前线程的ThreadLocalMap对象，并将其移除。
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        // 直接移除以当前ThreadLocal为key的value
        m.remove(this);
}

4、ThreadLocalMap

为啥单独拿出来说下，我就是想强调一点：这个东西是归Thread类所有的。它的引用在Thread类里，这也证实了一个问题：ThreadLocalMap类内部为什么有Entry数组，而不是Entry对象？

因为你业务代码能new好多个ThreadLocal对象，各司其职。但是在一次请求里，也就是一个线程里，ThreadLocalMap是同一个，而不是多个，不管你new几次ThreadLocal，ThreadLocalMap在一个线程里就一个，因为再说一次，ThreadLocalMap的引用是在Thread里的，所以它里面的Entry数组存放的是一个线程里你new出来的多个ThreadLocal对象。

核心源码如下：

// 在你调用ThreadLocal.get()方法的时候就会调用这个方法，它的返回是当前线程里的threadLocals的引用。
// 这个引用指向的是ThreadLocal里的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

public class Thread implements Runnable {
    // ThreadLocal.ThreadLocalMap
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

四、完整源码

1、核心源码

// 本地线程。Thread：线程。Local：本地
public class ThreadLocal<T> {

    // 构造器
 public ThreadLocal() {}

    // 初始值，用来初始化值用的，比如：ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<>();
    // 你想Integer value = count.get(); value++;这样是报错的，因为count现在还没值，取出来的是个null,所以你需要先重写此方法为value赋上初始值，本身方法是protected也代表就是为了子类重写的。
    // 此方法是一个延迟调用方法，在线程第一次调用get的时候才执行，下面具体分析源码就知道了。
 protected T initialValue() {}

    // 创建ThreadLocalMap，ThreadLocal底层其实就是一个map来维护的。
 void createMap(Thread t, T firstValue) {}

    // 返回该当前线程对应的线程局部变量值。
 public T get() {}

    // 获取ThreadLocalMap
 ThreadLocalMap getMap(Thread t) {}

    // 设置当前线程的线程局部变量的值
 public void set(T value) {}

    // 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存占用。其实当线程结束后对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以无需我们调用remove，我们调用remove无非也就是加快内存回收速度。
 public void remove() {}

    // 设置初始值，调用initialValue
 private T setInitialValue() {}

    // 静态内部类，一个map来维护的！！！
 static class ThreadLocalMap {
  
        // ThreadLocalMap的静态内部类，继承了弱引用，这正是不会造成内存泄漏根本原因
        // Entry的key为ThreadLocal并且是弱引用。value是值
  static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {}
 }

}

2、set()

/**
 * 设置当前线程的线程局部变量的值
 * 实际上ThreadLocal的值是放入了当前线程的一个ThreadLocalMap实例中，所以只能在本线程中访问。
 */
public void set(T value) {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap实例
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 若当前线程有对应的ThreadLocalMap实例，则将当前ThreadLocal对象作为key，value做为值存到ThreadLocalMap的entry里。
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        // 若当前线程没有对应的ThreadLocalMap实例，则创建ThreadLocalMap，并将此线程与之绑定
        createMap(t, value);
}

3、getMap()

// 在你调用ThreadLocal.get()方法的时候就会调用这个方法，它的返回是当前线程里的threadLocals的引用。
// 这个引用指向的是ThreadLocal里的ThreadLocalMap对象
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

public class Thread implements Runnable {
    // ThreadLocal.ThreadLocalMap
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

4、map.set()

// 不多BB，就和HashMap的set一个道理，只是赋值key,value。
// 需要注意的是这里key是ThreadLocal对象，value是值
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {}

5、createMap()

/**
 * 创建ThreadLocalMap对象。
 * t.threadLocals在上面的getMap中详细介绍了。此处不BB。
 * 实例化ThreadLocalMap并且传入两个值，一个是当前ThreadLocal对象一个是value。
 */
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

// ThreadLocalMap构造器。
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    // 重点看这里！！！！！！
    // new了一个ThreadLocalMap的内部类Entry，且将key和value传入。
    // key是ThreadLocal对象。
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

/**
 * 到这里朋友们应该真相大白了，其实ThreadLocal就是内部维护一个ThreadLocalMap，
 * 而ThreadLocalMap内部又维护了一个Entry对象。Entry对象是key-value形式，
 * key是ThreadLocal对象，value是传入的value
 * 所以我们对ThreadLocal的操作其实都是对内部的ThreadLocalMap.Entry的操作
 * 所以保证了线程之前互不干扰。
 */

6、get()

/**
 * 获取当前线程下的entry里的value值。
 * 先获取当前线程下的ThreadLocalMap，
 * 然后以当前ThreadLocal为key取出map中的value
 */
public T get() {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap对象。
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 若获取到了。则获取此ThreadLocalMap下的entry对象，若entry也获取到了，那么直接获取entry对应的value返回即可。
    if (map != null) {
        // 获取此ThreadLocalMap下的entry对象
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        // 若entry也获取到了
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            // 直接获取entry对应的value返回。
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 若没获取到ThreadLocalMap或没获取到Entry，则设置初始值。
    // 知识点：我早就说了，初始值方法是延迟加载，只有在get才会用到，这下看到了吧，只有在这获取没获取到才会初始化，下次就肯定有值了，所以只会执行一次！！！
    return setInitialValue();
}

7、setInitialValue()

// 设置初始值
private T setInitialValue() {
    // 调用初始值方法，由子类提供。
    T value = initialValue();
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 获取到了
    if (map != null)
        // set
        map.set(this, value);
    else
        // 没获取到。创建map并赋值
        createMap(t, value);
    // 返回初始值。
    return value;
}

8、initialValue()

// 由子类提供实现。
// protected
protected T initialValue() {
    return null;
}

9、remove()

/**
 * 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存占用。
 * 其实当线程结束后对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以无需我们调用remove，我们调用remove无非也就是加快内存回收速度。
 */
public void remove() {
    // 获取当前线程的ThreadLocalMap对象，并将其移除。
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

10、小结

只要捋清楚如下几个类的关系，ThreadLocal将变得so easy！

Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap、Entry

一句话总结就是：Thread维护了ThreadLocalMap，而ThreadLocalMap里维护了Entry，而Entry里存的是以ThreadLocal为key，传入的值为value的键值对。

五、答疑（面试题）

1、和Synchronized的区别

问：他和线程同步机制（如：Synchronized）提供一样的功能，这个很吊啊。

答：放屁！同步机制保证的是多线程同时操作共享变量并且能正确的输出结果。ThreadLocal不行啊，他把共享变量变成线程私有了，每个线程都有独立的一个变量。举个通俗易懂的案例：网站计数器，你给变量count++的时候带上synchronized即可解决。ThreadLocal的话做不到啊，他没发统计，他只能说能统计每个线程登录了多少次。

2、存储在jvm的哪个区域

问：线程私有，那么就是说ThreadLocal的实例和他的值是放到栈上咯？

答：不是。还是在堆的。ThreadLocal对象也是对象，对象就在堆。只是JVM通过一些技巧将其可见性变成了线程可见。

3、真的只是当前线程可见吗

问：真的只是当前线程可见吗？

答：貌似不是，貌似通过InheritableThreadLocal类可以实现多个线程访问ThreadLocal的值，但是我没研究过，知道这码事就行了。

4、会导致内存泄漏么

问：会导致内存泄漏么？

答：分析一下：

• 1、ThreadLocalMap.Entry的key会内存泄漏吗？
• 2、ThreadLocalMap.Entry的value会内存泄漏吗？

先看下key-value的核心源码

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    Object value;
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

先看继承关系，发现是继承了弱引用，而且key直接是交给了父类处理super(key)，父类是个弱引用，所以key完全不存在内存泄漏问题，因为他不是强引用，它可以被GC回收的。

弱引用的特点：如果这个对象只被弱引用关联，没有任何强引用关联，那么这个对象就可以被GC回收掉。弱引用不会阻止GC回收。这是jvm知识。

再看value，发现value是个强引用，但是想了下也没问题的呀，因为线程终止了，我管你强引用还是弱引用，都会被GC掉的，因为引用链断了（jvm用的可达性分析法，线程终止了，根节点就断了，下面的都会被回收）。

这么分析一点毛病都没有，但是忘了一个主要的角色，那就是线程池，线程池的存在核心线程是不会销毁的，只要创建出来他会反复利用，生命周期不会结束掉，但是key是弱引用会被GC回收掉，value强引用不会回收，所以形成了如下场面：

Thread->ThreadLocalMap->Entry(key为null)->value

由于value和Thread还存在链路关系，还是可达的，所以不会被回收，这样越来越多的垃圾对象产生却无法回收，早晨内存泄漏，时间久了必定OOM。

解决方案ThreadLocal已经为我们想好了，提供了remove()方法，这个方法是将value移出去的。所以用完后记得remove()。

5、为什么用Entry数组而不是Entry对象

这个其实主要想考ThreadLocalMap是在Thread里持有的引用。

问：ThreadLocalMap内部的table为什么是数组而不是单个对象呢？

答：因为你业务代码能new好多个ThreadLocal对象，各司其职。但是在一次请求里，也就是一个线程里，ThreadLocalMap是同一个，而不是多个，不管你new几次ThreadLocal，ThreadLocalMap在一个线程里就一个，因为ThreadLocalMap的引用是在Thread里的，所以它里面的Entry数组存放的是一个线程里你new出来的多个ThreadLocal对象。

6、你学习的开源框架哪些用到了ThreadLocal

Spring框架。

DateTimeContextHolder

RequestContextHolder

7、ThreadLocal里的对象一定是线程安全的吗

未必，如果在每个线程中ThreadLocal.set()进去的东西本来就是多线程共享的同一个对象，比如static对象，那么多个线程的ThreadLocal.get()获取的还是这个共享对象本身，还是有并发访问线程不安全问题。

8、笔试题

问：下面这段程序会输出什么？为什么？

public class TestThreadLocalNpe {
    private static ThreadLocal<Long> threadLocal = new ThreadLocal();

    public static void set() {
        threadLocal.set(1L);
    }

    public static long get() {
        return threadLocal.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            set();
            System.out.println(get());
        }).start();
        // 目的就是为了让子线程先运行完
        Thread.sleep(100);
        System.out.println(get());
    }
}

答：

1
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
 at com.chentongwei.study.thread.TestThreadLocalNpe.get(TestThreadLocalNpe.java:16)
 at com.chentongwei.study.thread.TestThreadLocalNpe.main(TestThreadLocalNpe.java:26)

为什么？

为什么输出个1，然后空指针了？

首先输出1是没任何问题的，其次主线程空指针是为什么？

如果你这里回答

1
1

那我恭喜你，你连ThreadLocal都不知道是啥，这明显两个线程，子线程和主线程。子线程设置1，主线程肯定拿不到啊，ThreadLocal和线程是嘻嘻相关的。这个不多费口舌。

说说为什么是空指针？

因为你get方法用的long而不是Long，那也应该返回null啊，大哥，long是基本类型，默认值是0，没有null这一说法。ThreadLocal里的泛型是Long，get却是基本类型，这需要拆箱操作的，也就是会执行null.longValue()的操作，这绝逼空指针了。

看似一道Javase的基础题目，实则隐藏了很多知识。

六、ThreadLocal工具类

package com.duoku.base.util;

import com.google.common.collect.Maps;
import org.springframework.core.NamedThreadLocal;

import java.util.Map;

/**
 * Description:
 *
 * @author TongWei.Chen 2019-09-09 18:35:30
 */
public class ThreadLocalUtil {

    private static final ThreadLocal<Map<String, Object>> threadLocal = new NamedThreadLocal("xxx-threadlocal") {
        @Override
        protected Map<String, Object> initialValue() {
            return Maps.newHashMap();
        }
    };

    public static Map<String, Object> getThreadLocal(){
        return threadLocal.get();
    }
    
    public static <T> T get(String key) {
        Map map = threadLocal.get();
        // todo:copy a new one
        return (T)map.get(key);
    }

    public static <T> T get(String key,T defaultValue) {
        Map map = threadLocal.get();
        return (T)map.get(key) == null ? defaultValue : (T)map.get(key);
    }

    public static void set(String key, Object value) {
        Map map = threadLocal.get();
        map.put(key, value);
    }

    public static void set(Map<String, Object> keyValueMap) {
        Map map = threadLocal.get();
        map.putAll(keyValueMap);
    }

    public static void remove() {
        threadLocal.remove();
    }

}

照惯例，推荐一波整理很久、非常实用的面试题仓库：

Java面试题阶段汇总​mp.weixin.qq.com/s/MrWFt4jDKRQC3g4TsMde7Q

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