ThreadLocal实现原理

ThreadLocal是什么

ThreadLocal是一个本地线程副本变量工具类。主要用于将私有线程和该线程存放的副本对象做一个映射，各个线程之间的变量互不干扰，在高并发场景下，可以实现无状态的调用，特别适用于各个线程依赖不通的变量值完成操作的场景。

ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。但是ThreadLocal与synchronized有本质的区别。Synchronized用于线程间的数据共享，而ThreadLocal则用于线程间的数据隔离。Synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该只能被一个线程访问。而ThreadLocal为每一个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并不是同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。而Synchronized却正好相反，它用于在多个线程间通信时能够获得数据共享。

从数据结构入手

下图为ThreadLocal的内部结构图

下图为ThreadLocal的堆栈结构

ThreadLocal结构内部

从上面的结构图，我们已经窥见ThreadLocal的核心机制：

• 每个Thread线程内部都有一个Map。
• Map里面存储线程本地对象（key）和线程的变量副本（value）
• 但是，Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。

所以对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

Thread线程内部的Map在类中描述如下：

public class Thread implements Runnable {
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

深入解析ThreadLocal

ThreadLocal类提供如下几个核心方法：

public T get()
public void set(T value)
public void initialValue()
public void remove()

• get()方法用于获取当前线程的副本变量值。
• set()方法用于保存当前线程的副本变量值。
• initialValue()为当前线程初始副本变量值。
• remove()方法移除当前前程的副本变量值。

get()方法

/**
 * 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)
            return (T)e.value;
    }
    return setInitialValue();
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

protected T initialValue() {
    return null;
}

步骤：
1.获取当前线程的ThreadLocalMap对象threadLocals
2.从map中获取线程存储的K-V Entry节点。
3.从Entry节点获取存储的Value副本值返回。
4.map为空的话返回初始值null，即线程变量副本为null，在使用时需要注意判断NullPointerException。

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);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

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

步骤：
1.获取当前线程的成员变量map
2.map非空，则重新将ThreadLocal和新的value副本放入到map中。
3.map空，则对线程的成员变量ThreadLocalMap进行初始化创建，并将ThreadLocal和value副本放入map中。

remove()方法

/**
 * Removes the current thread's value for this thread-local
 * variable.  If this thread-local variable is subsequently
 * {@linkplain #get read} by the current thread, its value will be
 * reinitialized by invoking its {@link #initialValue} method,
 * unless its value is {@linkplain #set set} by the current thread
 * in the interim.  This may result in multiple invocations of the
 * <tt>initialValue</tt> method in the current thread.
 *
 * @since 1.5
 */
public void remove() {
 ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
 if (m != null)
     m.remove(this);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

remove方法比较简单，不做赘述。

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也独立实现。

ThreadLocalMap类图

在ThreadLocalMap中，也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象，这点被Entry的构造方法已经限定死了。

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

    Entry(ThreadLocal k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

Entry继承自WeakReference（弱引用，生命周期只能存活到下次GC前），但只有Key是弱引用类型的，Value并非弱引用。

ThreadLocalMap的成员变量：

static class ThreadLocalMap {
    /**
     * The initial capacity -- MUST be a power of two.
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * The table, resized as necessary.
     * table.length MUST always be a power of two.
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * The number of entries in the table.
     */
    private int size = 0;

    /**
     * The next size value at which to resize.
     */
    private int threshold; // Default to 0
}

Hash冲突怎么解决

和HashMap的最大的不同在于，ThreadLocalMap结构非常简单，没有next引用，也就是说ThreadLocalMap中解决Hash冲突的方式并非链表的方式，而是采用线性探测的方式，所谓线性探测，就是根据初始key的hashcode值确定元素在table数组中的位置，如果发现这个位置上已经有其他key值的元素被占用，则利用固定的算法寻找一定步长的下个位置，依次判断，直至找到能够存放的位置。

ThreadLocalMap解决Hash冲突的方式就是简单的步长加1或减1，寻找下一个相邻的位置。

/**
 * Increment i modulo len.
 */
private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

/**
 * Decrement i modulo len.
 */
private static int prevIndex(int i, int len) {
    return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}

显然ThreadLocalMap采用线性探测的方式解决Hash冲突的效率很低，如果有大量不同的ThreadLocal对象放入map中时发送冲突，或者发生二次冲突，则效率很低。

所以这里引出的良好建议是：每个线程只存一个变量，这样的话所有的线程存放到map中的Key都是相同的ThreadLocal，如果一个线程要保存多个变量，就需要创建多个ThreadLocal，多个ThreadLocal放入Map中时会极大的增加Hash冲突的可能。

ThreadLocalMap的问题

由于ThreadLocalMap的key是弱引用，而Value是强引用。这就导致了一个问题，ThreadLocal在没有外部对象强引用时，发生GC时弱引用Key会被回收，而Value不会回收，如果创建ThreadLocal的线程一直持续运行，那么这个Entry对象中的value就有可能一直得不到回收，发生内存泄露。

如何避免泄漏
既然Key是弱引用，那么我们要做的事，就是在调用ThreadLocal的get()、set()方法时完成后再调用remove方法，将Entry节点和Map的引用关系移除，这样整个Entry对象在GC Roots分析后就变成不可达了，下次GC的时候就可以被回收。

如果使用ThreadLocal的set方法之后，没有显示的调用remove方法，就有可能发生内存泄露，所以养成良好的编程习惯十分重要，使用完ThreadLocal之后，记得调用remove方法。

ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();
try {
    threadLocal.set(new Session(1, "Misout的博客"));
    // 其它业务逻辑
} finally {
    threadLocal.remove();
}

应用场景

还记得Hibernate的session获取场景吗？

private static final ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();

//获取Session
public static Session getCurrentSession(){
    Session session =  threadLocal.get();
    //判断Session是否为空，如果为空，将创建一个session，并设置到本地线程变量中
    try {
        if(session ==null&&!session.isOpen()){
            if(sessionFactory==null){
                rbuildSessionFactory();// 创建Hibernate的SessionFactory
            }else{
                session = sessionFactory.openSession();
            }
        }
        threadLocal.set(session);
    } catch (Exception e) {
        // TODO: handle exception
    }

    return session;
}

为什么？每个线程访问数据库都应当是一个独立的Session会话，如果多个线程共享同一个Session会话，有可能其他线程关闭连接了，当前线程再执行提交时就会出现会话已关闭的异常，导致系统异常。此方式能避免线程争抢Session，提高并发下的安全性。

使用ThreadLocal的典型场景正如上面的数据库连接管理，线程会话管理等场景，只适用于独立变量副本的情况，如果变量为全局共享的，则不适用在高并发下使用。

总结

• 每个ThreadLocal只能保存一个变量副本，如果想要上线一个线程能够保存多个副本以上，就需要创建多个ThreadLocal。
• ThreadLocal内部的ThreadLocalMap键为弱引用，会有内存泄漏的风险。
• 适用于无状态，副本变量独立后不影响业务逻辑的高并发场景。如果如果业务逻辑强依赖于副本变量，则不适合用ThreadLocal解决，需要另寻解决方案。