• Java多线程9:ThreadLocal源码剖析


    ThreadLocal源码剖析

    ThreadLocal其实比较简单,因为类里就三个public方法:set(T value)、get()、remove()。先剖析源码清楚地知道ThreadLocal是干什么用的、再使用、最后总结,讲解ThreadLocal采取这样的思路。

    三个理论基础

    在剖析ThreadLocal源码前,先讲一下ThreadLocal的三个理论基础:

    1、每个线程都有一个自己的ThreadLocal.ThreadLocalMap对象

    2、每一个ThreadLocal对象都有一个循环计数器

    3、ThreadLocal.get()取值,就是根据当前的线程,获取线程中自己的ThreadLocal.ThreadLocalMap,然后在这个Map中根据第二点中循环计数器取得一个特定value值

    两个数学问题

    1、ThreadLocal.ThreadLocalMap规定了table的大小必须是2的N次幂

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

    因为从计算机的角度讲,对位操作的效率比数学运算要高

    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);

    比方说当前table长度是16,那么16-1=15,也就是二进制的1111。现在有一个数字是23,也就是二进制的00010111。23%16=7,看下&运算:

    00010111

          &

    00001111=

    00000111

    00000111也就是7,和取模运算结果一样,效率反而高。

    2、Hash增量设置为0x61c88647,也就是说ThreadLocal通过取模的方式取得table的某个位置的时候,会在原来的threadLocalHashCode的基础上加上0x61c88647

    /**
     * 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;

    虽然不知道这是为什么,但是从对table.length取模的角度来看,试了一下length为16和32的情况:

    7 14 5 12 3 10 1 8 15 6 13 4 11 2 9 0 
    7 14 21 28 3 10 17 24 31 6 13 20 27 2 9 16 23 30 5 12 19 26 1 8 15 22 29 4 11 18 25 0 

    这样一来避免了Hash冲突,二来相邻的两个数字都比较分散。而且在2的N次幂过后,又从第一个数字开始循环了,这意味,threadLocalHashCode可以从任何地方开始

    有了这些理论基础,下面可以看一下ThreadLocal几个方法的实现原理。

    set(T value)

    一点点看set方法的源码:

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

    和前面讲的一样:

    1、取得当前的线程

    2、获取线程里面的ThreadLocal.ThreadLocalMap

    3、看这个ThreadLocal.ThreadLocalMap是否存在,存在就设置一个值,不存在就给线程创建一个ThreadLocal.ThreadLocalMap

    第三点有两个分支,先看简单的创建Map的分支:

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
            t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
        }
    ThreadLocalMap(ThreadLocal firstKey, Object firstValue) {
                table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
                int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
                table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
                size = 1;
                setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
            }
    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT); 
        }
    private static AtomicInteger nextHashCode = 
        new AtomicInteger();

    这个Map中并没有next节点,所以,不得不说ThreadLocalMap是一个有点误导性的名字,它虽然叫做Map,但其实存储的方式不是链表法而是开地址法。看到设置table中的位置的时候,都把一个static的nextHashCode累加一下,这意味着,set的同一个value,可能在每个ThreadLocal.ThreadLocalMap中的table中的位置都不一样,不过这没关系。

    OK,看完了创建的分支,看一下设置的分支:

    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);
    
                for (Entry e = tab[i];
             e != null;
             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                    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();
            }
    private static int nextIndex(int i, int len) {
                return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
            }

    理一下逻辑,设置的时候做了几步:

    1、先对ThreadLocal里面的threadLocalHashCode取模获取到一个table中的位置

    2、这个位置上如果有数据,获取这个位置上的ThreadLocal

    (1)判断一下位置上的ThreadLocal和我本身这个ThreadLocal是不是一个ThreadLocal,是的话数据就覆盖,返回

    (2)不是同一个ThreadLocal,再判断一下位置上的ThreadLocal是是不是空的,这个解释一下。Entry是ThreadLocal弱引用,"static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal>",有可能这个ThreadLocal被垃圾回收了,这时候把新设置的value替换到当前位置上,返回

    (3)上面都没有返回,给模加1,看看模加1后的table位置上是不是空的,是空的再加1,判断位置上是不是空的...一直到找到一个table上的位置不是空的为止,往这里面塞一个value。换句话说,当table的位置上有数据的时候,ThreadLocal采取的是办法是找最近的一个空的位置设置数据

    get()

    如果理解清楚了set(T value),get()方法就很好理解了:

    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();
        }
    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);
            }
    private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) {
                Entry[] tab = table;
                int len = tab.length;
    
                while (e != null) {
                    ThreadLocal k = e.get();
                    if (k == key)
                        return e;
                    if (k == null)
                        expungeStaleEntry(i);
                    else
                        i = nextIndex(i, len);
                    e = tab[i];
                }
                return null;
            }

    理一下步骤:

    1、获取当前线程

    2、尝试去当前线程中拿它的ThreadLocal.ThreadLocalMap

    3、当前线程中判断是否有ThreadLocal.ThreadLocalMap

    (1)有就尝试根据当前ThreadLocal的threadLocalHashCode取模去table中取值,有就返回,没有就给模加1继续找,这和设置的算法是一样的

    (2)没有就调用set方法给当前线程ThreadLocal.ThreadLocalMap设置一个初始值

    remove()

    remove()方法就非常简单了:

    public void remove() {
             ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
             if (m != null)
                 m.remove(this);
         }

    取得当前线程的ThreadLocal.ThreadLocalMap,如果有ThreadLocal.ThreadLocalMap,找到对应的Entry,移除掉就好了。

    总结

    上面分析了这么多源码,是比较细节地来看ThreadLocal了。对这些内容做一个总结,ThreadLocal的原理简单说应该是这样的:

    1. ThreadLocal不需要key,因为线程里面自己的ThreadLocal.ThreadLocalMap不是通过链表法实现的,而是通过开地址法实现的
    2. 每次set的时候往线程里面的ThreadLocal.ThreadLocalMap中的table数组某一个位置塞一个值,这个位置由ThreadLocal中的threadLocaltHashCode取模得到,如果位置上有数据了,就往后找一个没有数据的位置
    3. 每次get的时候也一样,根据ThreadLocal中的threadLocalHashCode取模,取得线程中的ThreadLocal.ThreadLocalMap中的table的一个位置,看一下有没有数据,没有就往下一个位置找
    4. 既然ThreadLocal没有key,那么一个ThreadLocal只能塞一种特定数据。如果想要往线程里面的ThreadLocal.ThreadLocalMap里的table不同位置塞数据 ,比方说想塞三种String、一个Integer、两个Double、一个Date,请定义多个ThreadLocal,ThreadLocal支持泛型"public class ThreadLocal<T>"。 
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