解锁Java多线程安全的秘密武器：探索ThreadLocal的神奇力量！

灰太狼 2023-10-13 15:33 49阅读 0赞

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#### 目录 ####

*  一、导读
 *  二、概览
 *  三、使用场景
 *   *  3.1 使用
     *  3.2 缺点
 *  四、原理解析
 *   *  4.1 为每个线程创建变量副本
     *  4.2 源码
 *  五、 推荐阅读

## 一、导读 ##

我们继续总结学习**Java基础知识**，温故知新。

## 二、概览 ##

**背景**：当多线程访问共享可变数据时，涉及到线程间同步的问题，并不是所有时候，都要用到共享数据，所以就需要线程封闭出场了。  
数据都被封闭在各自的线程之中，就不需要同步，这种通过将数据封闭在线程中而避免使用同步的技术称为线程封闭。

而ThreadLocal就提供了这样的功能。

ThreadLocal是Java中的一个类，用于在多线程环境下，为**每个线程**提供**独立的变量副本**。每个线程都可以独立地访问自己的变量副本，因为该独立变量属于**当前线程**，对其他线程而言是隔离的，不会与其他线程的副本产生冲突。

使用ThreadLocal可以解决多线程环境下共享变量的线程安全问题。通过将变量声明为ThreadLocal类型，在每个线程中独立创建变量的副本，从而**保证了线程间的隔离**。

## 三、使用场景 ##

### 3.1 使用 ###

可以用到的场景比较多，我们列举一些场景：  
1、线程间数据隔离：通过将变量声明为ThreadLocal类型，每个线程都可以独立地操作自己的变量副本，避免了线程间的竞争和冲突。  
2、上下文传递：使用ThreadLocal可以在不显式传递参数的情况下，在同一线程中共享数据。典型的应用场景包括数据库连接、用户身份验证等。  
3、Web应用请求处理：使用ThreadLocal可以在请求处理过程中，方便地共享请求相关的数据，如用户信息、请求参数等。  
4、时间格式化：在多线程环境下，日期时间格式化可能存在线程安全问题，为每个线程创建独立的日期时间格式化对象，确保线程安全的同时提高性能。

使用方式如下：

private static final ThreadLocal<Long> iLong = new ThreadLocal<>();
        
        long l = iLong.get();
        iLong.set(10L);

### 3.2 缺点 ###

需要注意的是，尽管ThreadLocal可以解决一些线程安全问题，但滥用ThreadLocal也可能导致**内存泄漏**和隐含的**资源占用**问题。

*  内存泄漏：当使用ThreadLocal的线程结束后，如果没有显式地调用ThreadLocal的remove()方法来清除对应的线程变量副本，那么这个副本将会一直存在于内存中，而不会被垃圾回收。如果此线程长时间存在或频繁创建销毁，那么就可能导致大量的无用副本占用内存，从而引发内存泄漏问题。
 *  隐含的资源占用：由于ThreadLocal的变量副本与线程绑定，当使用ThreadLocal的线程长时间存在或频繁创建销毁时，每个线程都会持有自己的副本，这可能占用大量的资源，尤其是对于大对象或者大数据集的情况。如果没有及时清理和释放这些副本，可能会导致隐含的资源占用问题，降低系统的性能和可用性。

ThreadLocal针对一个线程只能记录一个变量，但是一个线程内可以通过多个ThreadLocal来记录多个变量。

## 四、原理解析 ##

原理：  
ThreadLocal利用每个线程独立持有自己的ThreadLocalMap对象的特性，实现了线程共享变量的隔离，ThreadLocalMap是 ThreadLocal 的静态内部类，用来存储线程所要保存的变量副本及对应的值，每个ThreadLocalMap是一个初始值为16的数组，里面每个数组的值是一个ThreadLocal的软引用，听起来有点绕，我们看2张图。

![在这里插入图片描述][d673683ef0d34789a84d66ed91e03415.png]  
将数据在拆解一下，是这样的，一个thread 包含一个threadlocalmap, 每个map存储 threadlocal及value  
![在这里插入图片描述][8fc99a0deae848c596f6595f1c4fd5e9.png]

### 4.1 为每个线程创建变量副本 ###

我们知道每个Thread内部都有一个ThreadLocalMap对象，threadLocals 默认是空值，  
threadLocals赋值的时机是当我们调用ThreadLocal的get、set时，我们看源码：

public class Thread implements Runnable {
        
    	    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
    	     * by the ThreadLocal class. */
    	    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    	}
    
        //createMap
        void createMap(Thread t, T firstValue) {
        
            //实例化一个新的ThreadLocalMap，并赋值给当前线程的成员变量threadLocals
            t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
        }

### 4.2 源码 ###

ThreadLocal.java

// 返回当前线程所对应的线程局部变量
        public T get() {
        
            //获取当前线程
            Thread t = Thread.currentThread();
            //实际存储的数据结构类型
            ThreadLocalMap map = getMap(t);
            
            if (map != null) {
        
                ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
                if (e != null) {
        
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    T result = (T)e.value;
                    return result;
                }
            }
            return setInitialValue();
        }
        
        public void set(T value) {
        
          //获取当前线程
          Thread t = Thread.currentThread();
          //实际存储的数据结构类型
          ThreadLocalMap map = getMap(t);
          //如果存在map就直接set，没有则创建map并set
          if (map != null)
              map.set(this, value);
          else
              createMap(t, value);
       }
      
        //getMap方法
        ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        
           //thred中维护了一个ThreadLocalMap
           return t.threadLocals;
        }
     
        //createMap
        void createMap(Thread t, T firstValue) {
        
            //实例化一个新的ThreadLocalMap，并赋值给线程的成员变量threadLocals
            t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
        }

static class ThreadLocalMap

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        
    	    初始化一个容量为16的Entry数组
    	    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    	    
    	    用key即thradLocal对象的hash值计算存储在数组中的索引位置
    	    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    	    
    	    接着创建一个Entry对象，将key和value作为构造参数传入
    	    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    	
    	    size = 1;
    	    计算扩容因子，即当数组内元素达到数组大小的2/3时，会对数组进行扩容
    	    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    	}
    
    	通过hash计算索引时会存在hash冲突的问题，当数组容量较大时，hash冲突的概率降低
    	虽然他不是以hashmap的形式存储，但是Entry对象里面也是设计成key/value的形式解决hash冲突的。
    	所以你可以想象成ThreadLocalMap是个数组，而存储在数组里面的各个对象是以key/value形式
    	的Entry对象
    
    	static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        
    	    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    	    Object value;
    	    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        
    	        super(k);
    	        value = v;
    	    }
    	}
    	
    	private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
        
    	    目的就是为了解决hash冲突，寻找数组插入下标的
    	    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    	
    	    再往下是个for循环，里面是寻找可插入的位置，直到可以插入为止。
    	    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;
    	        }
    	    }
    	}

ThreadLocalMap设计成数组，是因为线程里面可以有多个ThreadLocal对象，可能会初始化多个，这样存储的时候就需要数组了。

key如果不是WeakReference弱引用，则如果某个线程死循环，则ThreadLocalMap一直存在，引用住了ThreadLocal，导致ThreadLocal无法释放，同时导致value无法释放；当是WeakReference弱引用时，即使线程死循环，当创建ThreadLocal的地方释放了，ThreadLocalMap的key会同样被被释放，在调用getEntry时，会判断如果key为null，则会释放value，内存泄露则不存在。当然ThreadLocalMap类也提供remove方法，该方法会帮我们把当前ThreadLocal对应的Entry对象清除

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