多线程：ThreadLocal原理

1、ThreadLocal内部结构

（1）ThreadLocal的设计

　　在JDK8中ThreadLocal的设计是：每个Thread维护一个ThreadLocalMap，这个Map的key是ThreadLocal实例本身，value才是真正要存储的值object，具体的过程是这样的：

• 每个Thread线程内部都有一个Map (ThreadLocalMap)
• Map里面存储ThreadLocal对象(key ）和线程的变量副本( value )
• 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。
• 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。

版本对比：

• 每个Map存储的Entry的数量变少，可以减少hash冲突
• 当Thread销毁的时候，ThreadLocalMap也会随之销毁，减少内存的使用

2、ThreadLocal的核心操作源码

（1）get方法

   * @return 返回当前线程对应此ThreadLocal的值
     */
    public T get() {
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null) {
            // 以当前的ThreadLocal 为 key，调用getEntry获取对应的存储实体e
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            // 找到对应的存储实体 e 
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                // 获取存储实体 e 对应的 value值
                // 即为我们想要的当前线程对应此ThreadLocal的值
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        // 如果map不存在，则证明此线程没有维护的ThreadLocalMap对象
        // 调用setInitialValue进行初始化
        return setInitialValue();
    }

    /**
     * set的变样实现，用于初始化值initialValue，
     * 用于代替防止用户重写set()方法
     *
     * @return the initial value 初始化后的值
     */
    private T setInitialValue() {
        // 调用initialValue获取初始化的值
        T value = initialValue();
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null)
            // 存在则调用map.set设置此实体entry
            map.set(this, value);
        else
            // 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
            // 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
            // 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
            createMap(t, value);
        // 返回设置的值value
        return value;
    }

    /**
     * 获取当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     * 
     * @param  t the current thread 当前线程
     * @return the map 对应维护的ThreadLocalMap 
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }
    /**
     *创建当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     *
     * @param t 当前线程
     * @param firstValue 存放到map中第一个entry的值
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        //这里的this是调用此方法的threadLocal
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

• 首先获取当前线程
• 根据当前线程获取一个Map
• 如果获取的Map不为空，则在Map中以ThreadLocal的引用作为key来在Map中获取对应的value e，否则转到E
• 如果e不为null，则返回e.value，否则转到E
• Map为空或者e为空，则通过initialValue函数获取初始值value，然后用ThreadLocal的引用和value作为firstKey和firstValue创建一个新的Map
• 总结：先获取当前线程的 ThreadLocalMap 变量，如果存在则返回值，不存在则创建并返回初始值。

（2）set方法

 /**
     * 设置当前线程对应的ThreadLocal的值
     *
     * @param value 将要保存在当前线程对应的ThreadLocal的值
     */
    public void set(T value) {
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null)
            // 存在则调用map.set设置此实体entry
            map.set(this, value);
        else
            // 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
            // 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
            // 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
            createMap(t, value);
    }

• 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map
• 如果获取的Map不为空，则将参数设置到Map中（当前ThreadLocal的引用作为key）
• 如果Map为空，则给该线程创建 Map，并设置初始值

（3）remove方法

/**
     * 删除当前线程中保存的ThreadLocal对应的实体entry
     */
     public void remove() {
        // 获取当前线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
        // 如果此map存在
         if (m != null)
            // 存在则调用map.remove
            // 以当前ThreadLocal为key删除对应的实体entry
             m.remove(this);
     }

•  首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map
•  如果获取的Map不为空，则移除当前ThreadLocal对象对应的entry

（4）intiialValue方法

  * @return 当前ThreadLocal的初始值
  */
protected T initialValue() {
    return null;
}

此方法的作用是 返回该线程局部变量的初始值。

• 这个方法是一个延迟调用方法，从上面的代码我们得知，在set方法还未调用而先调用了get方法时才执行，并且仅执行1次。
• 这个方法缺省实现直接返回一个``null``。
• 如果想要一个除null之外的初始值，可以重写此方法。（备注： 该方法是一个``protected``的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的）

3、ThreadLocalMap源码分析

（1）基本结构

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（键值对）也是独立实现。

 （2）成员变量

/**
     * 初始容量 —— 必须是2的整次幂
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 存放数据的table，Entry类的定义在下面分析
     * 同样，数组长度必须是2的冥。
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * 数组里面entrys的个数，可以用于判断table当前使用量是否超过负因子。
     */
    private int size = 0;

    /**
     * 进行扩容的阈值，表使用量大于它的时候进行扩容。
     */
    private int threshold; // Default to 0
    
    /**
     * 阈值设置为长度的2/3
     */
    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

（3）存储结构entry

// 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
// 另外，Entry继承WeakReference,使用弱引用，可以将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑，持有对ThreadLocal的弱引用，可以
使得ThreadLocal在没有其他强引用的时候被回收掉，这样可以避免因为线程得不到销毁导致ThreadLocal对象无法被回收

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

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

4、内存泄漏问题

（1）强引用的情况

 只要线程不结束，这个entry就一直占着空间

（2）弱引用

 所以，内存泄漏与强弱引用无关

（3）出现内存泄露的真实原因

 总结：

相对第一种方式，第二种方式显然更不好控制，特别是使用线程池的时候，线程结束是不会销毁的。
也就是说，只要记得在使用完ThreadLocal及时的调用remove，无论key是强引用还是弱引用都不会有问题。那么为什么key要用弱引用呢?
事实上，在ThreadLocalMap中的set/getEntry方法中，会对key为null (也即是ThreadLocal为null）)进行判断，如果为null的话，那么是会对value置为null的。
这就意味着使用完ThreadLocal , CurrentThread依然运行的前提下，就算忘记调用remove方法，弱引用比强引用可以多一层保障∶弱引用的ThreadLocal会被回收，对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove中的任一方法的时候会被清除，从而避免内存润漏。

5、hash冲突的解决

（1）ThreadLocal的set() 方法

 public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocal.ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }
    
    ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

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

• 获取当前线程，并获取当前线程的ThreadLocalMap实例（从getMap(Thread t)中很容易看出来）。
• 如果获取到的map实例不为空，调用map.set()方法，否则调用构造函数 ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue)实例化map。
• 可以看出来线程中的ThreadLocalMap使用的是延迟初始化，在第一次调用get()或者set()方法的时候才会进行初始化。

（2）构造函数`ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue)

 ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        //初始化table
        table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY];
        //计算索引
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        //设置值
        table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
        size = 1;
        //设置阈值
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }

计算索引，`firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1)`。

关于`& (INITIAL_CAPACITY - 1)`,这是取模的一种方式，对于2的幂作为模数取模，用此代替`%(2^n)`，这也就是为啥容量必须为2的冥，在这个地方也得到了解答。

 private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
    private static AtomicInteger nextHashCode =  new AtomicInteger();
            
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

　　这里定义了一个AtomicInteger类型，每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT，`HASH_INCREMENT = 0x61c88647`,这个值和`斐波那契散列`有关（这是一种乘数散列法，只不过这个乘数比较特殊，是32位整型上限2^32-1乘以黄金分割比例0.618....的值2654435769，用有符号整型表示就是-1640531527，去掉符号后16进制表示为0x61c88647），其主要目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组里, 也就是`Entry[] table`中，这样做可以尽量避免hash冲突。

（3）ThreadLocalMap中的set()

　　ThreadLocalMap使用`开发地址-线性探测法`来解决哈希冲突，线性探测法的地址增量di = 1, 2, ... 其中，i为探测次数。该方法一次探测下一个地址，直到有空的地址后插入，若整个空间都找不到空余的地址，则产生溢出。假设当前table长度为16，也就是说如果计算出来key的hash值为14，如果table[14]上已经有值，并且其key与当前key不一致，那么就发生了hash冲突，这个时候将14加1得到15，取table[15]进行判断，这个时候如果还是冲突会回到0，取table[0],以此类推，直到可以插入。

按照上面的描述，`可以把table看成一个环形数组`。

先看一下线性探测相关的代码，从中也可以看出来table实际是一个环：

  /**
     * 获取环形数组的下一个索引
     */
    private static int nextIndex(int i, int len) {
        return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
    }

    /**
     * 获取环形数组的上一个索引
     */
    private static int prevIndex(int i, int len) {
        return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
    }

ThreadLocalMap的set()代码如下：

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        //计算索引，上面已经有说过。
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

        /**
         * 根据获取到的索引进行循环，如果当前索引上的table[i]不为空，在没有return的情况下，
         * 就使用nextIndex()获取下一个（上面提到到线性探测法）。
         */
        for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
             e != null;
             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            //table[i]上key不为空，并且和当前key相同，更新value
            if (k == key) {
                e.value = value;
                return;
            }
            /**
             * table[i]上的key为空，说明被回收了
             * 这个时候说明改table[i]可以重新使用，用新的key-value将其替换,并删除其他无效的entry
             */
            if (k == null) {
                replaceStaleEntry(key, value, i);
                return;
            }
        }