ThreadLocal到底有没有内存泄漏？
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2020-11-03 12:01
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1. 前言
ThreadLocal 也是一个使用频率较高的类，在框架中也经常见到，比如 Spring。
有关 ThreadLocal 源码分析的文章不少，其中有个问题常被提及：ThreadLocal 是否存在内存泄漏？
不少文章对此讲述比较模糊，经常让人看完脑子还是一头雾水，我也有此困惑。因此找时间跟小伙伴讨论了一番，总算对这个问题有了一定的理解，这里记录和分享一下，希望对有同样困惑的朋友们有所帮助。当然，若有理解不当的地方也欢迎指正。
啰嗦就到这里，下面先从 ThreadLocal 的一个应用场景开始分析吧。
2. 应用场景
ThreadLocal 的应用场景不少，这里举个简单的栗子：单点登录拦截。
也就是在处理一个 HTTP 请求之前，判断用户是否登录：
若未登录，跳转到登录页面； 若已登录，获取并保存用户的登录信息。
先定义一个 UserInfoHolder 类保存用户的登录信息，其内部用 ThreadLocal 存储，示例如下：
public class UserInfoHolder {
private static final ThreadLocal> USER_INFO_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>();
public static void set(Map map) {
USER_INFO_THREAD_LOCAL.set(map);
}
public static Map get() {
return USER_INFO_THREAD_LOCAL.get();
}
public static void clear() {
USER_INFO_THREAD_LOCAL.remove();
}
// ...
}
通过 UserInfoHolder 可以存储和获取用户的登录信息，以便在业务中使用。
Spring 项目中，如果我们想在处理一个 HTTP 请求之前或之后做些额外的处理，通常定义一个类继承 HandlerInterceptorAdapter，然后重写它的一些方法。举例如下（仅供参考，省略了一些代码）：
public class LoginInterceptor extends HandlerInterceptorAdapter {
// ...
@Override
public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler)
throws Exception {
// ...
// 请求执行前，获取用户登录信息并保存
Map userInfoMap = getUserInfo();
UserInfoHolder.set(userInfoMap);
return true;
}
@Override
public void afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex) {
// 请求执行后，清理掉用户信息
UserInfoHolder.clear();
}
}
在本例中，我们在处理一个请求之前获取用户的信息，在处理完请求之后，将用户信息清空。应该有朋友在框架或者自己的项目中见过类似代码。
下面我们深入 ThreadLocal 的内部，来分析这些方法做了些什么，跟内存泄漏又是怎么扯上关系的。
3. 源码剖析
3.1 类签名
先从头开始，也就是类签名：
public class ThreadLocal<T> {
}
可见它就是一个普通的类，并没有实现任何接口、也无父类继承。
3.2 构造器
ThreadLocal 只有一个无参构造器：
public ThreadLocal() {
}
此外，JDK 1.8 引入了一个使用 lambda 表达式初始化的静态方法 withInitial，如下：
public static ThreadLocal withInitial(Supplier supplier) {
return new SuppliedThreadLocal<>(supplier);
}
该方法也可以初始化一个对象，和构造器也比较接近。
3.3 ThreadLocalMap
3.3.1 主要代码
ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的一个内部嵌套类。
由于 ThreadLocal 的主要操作实际都是通过 ThreadLocalMap 的方法实现的，因此先分析 ThreadLocalMap 的主要代码：
public class ThreadLocal<T> {
// 生成 ThreadLocal 的哈希码，用于计算在 Entry 数组中的位置
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
// ...
static class ThreadLocalMap {
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
// 初始容量，必须是 2 的次幂
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
// 存储数据的数组
private Entry[] table;
// table 中的 Entry 数量
private int size = 0;
// 扩容的阈值
private int threshold; // Default to 0
// 设置扩容阈值
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}
// 第一次添加元素使用的构造器
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);
}
// ...
}
}
ThreadLocalMap 的内部结构其实跟 HashMap 很类似，可以对比前面「JDK源码分析-HashMap(1)」对 HashMap 的分析。
二者都是「键-值对」构成的数组，对哈希冲突的处理方式不同，导致了它们在结构上产生了一些区别：
HashMap 处理哈希冲突使用的「链表法」。也就是当产生冲突时拉出一个链表，而且 JDK 1.8 进一步引入了红黑树进行优化。 ThreadLocalMap 则使用了「开放寻址法」中的「线性探测」。即，当某个位置出现冲突时，从当前位置往后查找，直到找到一个空闲位置。
其它部分大体是类似的。
3.3.2 注意事项
弱引用
有个值得注意的地方是：ThreadLocalMap 的 Entry 继承了 WeakReference 类，也就是弱引用类型。
跟进 Entry 的父类，可以看到 ThreadLocal 最终赋值给了 WeakReference 的父类 Reference 的 referent 属性。即，可以认为 Entry 持有了两个对象的引用：ThreadLocal 类型的「弱引用」和 Object 类型的「强引用」，其中 ThreadLocal 为 key，Object 为 value。如图所示：
ThreadLocal 在某些情况可能产生的「内存泄漏」就跟这个「弱引用」有关，后面再展开分析。
寻址
Entry 的 key 是 ThreadLocal 类型的，它是如何在数组中散列的呢？
ThreadLocal 有个 threadLocalHashCode 变量，每次创建 ThreadLocal 对象时，这个变量都会增加一个固定的值 HASH_INCREMENT，即 0x61c88647，这个数字似乎跟黄金分割、斐波那契数有关，但这不是重点，有兴趣的朋友可以去深入研究下，这里我们知道它的目的就行了。与 HashMap 的 hash 算法的目的近似，就是为了散列的更均匀。
下面分析 ThreadLocal 的主要方法实现。
3.4 主要方法
ThreadLocal 主要有三个方法：set、get 和 remove，下面分别介绍。
3.4.1 set 方法
set 方法：新增/更新 Entry
public void set(T value) {
// 获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 从 Thread 中获取 ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
threadLocals 是 Thread 持有的一个 ThreadLocalMap 引用，默认是 null：
public class Thread implements Runnable {
// 其他代码...
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}
执行流程
若从当前 Thread 拿到的 ThreadLocalMap 为空，表示该属性并未初始化，执行 createMap 初始化：
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
若已存在，则调用 ThreadLocalMap 的 set 方法：
private void set(ThreadLocal key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 1. 计算 key 在数组中的下标 i
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
// 1.1 若数组下标为 i 的位置有元素
// 判断 i 位置的 Entry 是否为空；不为空则从 i 开始向后遍历数组
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal k = e.get();
// 索引为 i 的元素就是要查找的元素，用新值覆盖旧值，到此返回
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
// 索引为 i 的元素并非要查找的元素，且该位置中 Entry 的 Key 已经是 null
// Key 为 null 表明该 Entry 已经过期了，此时用新值来替换这个位置的过期值
if (k == null) {
// 替换过期的 Entry，
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
// 1.2 若数组下标为 i 的位置为空，将要存储的元素放到 i 的位置
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size;
// 若未清理过期的 Entry，且数组的大小达到阈值，执行 rehash 操作
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}
先总结下 set 方法主要流程：
首先根据 key 的 threadLocalHashCode 计算它的数组下标：
如果数组下标的 Entry 不为空，表示该位置已经有元素。由于可能存在哈希冲突，因此这个位置的元素可能并不是要找的元素，所以遍历数组去比较 如果找到等于当前 key 的 Entry，则用新值替换旧值，返回。 如果遍历过程中，遇到 Entry 不为空、但是 Entry 的 key 为空的情况，则会做一些清理工作。 如果数组下标的 Entry 为空，直接将元素放到这里，必要时进行扩容。
replaceStaleEntry：替换过期的值，并清理一些过期的 Entry
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal key, Object value,
int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
Entry e;
// 从 staleSlot 开始向前遍历，若遇到过期的槽（Entry 的 key 为空），更新 slotToExpunge
// 直到 Entry 为空停止遍历
int slotToExpunge = staleSlot;
for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = prevIndex(i, len))
if (e.get() == null)
slotToExpunge = i;
// 从 staleSlot 开始向后遍历，若遇到与当前 key 相等的 Entry，更新旧值，并将二者换位置
// 目的是把它放到「应该」在的位置
for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
ThreadLocal k = e.get();
if (k == key) {
// 更新旧值
e.value = value;
// 换位置
tab[i] = tab[staleSlot];
tab[staleSlot] = e;
// Start expunge at preceding stale entry if it exists
if (slotToExpunge == staleSlot)
slotToExpunge = i;
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
return;
}
if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
slotToExpunge = i;
}
// If key not found, put new entry in stale slot
// 若未找到 key，说明 Entry 此前并不存在，新增
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = new Entry(key, value);
// If there are any other stale entries in run, expunge them
if (slotToExpunge != staleSlot)
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}
replaceStaleEntry 的主要执行流程如下：
从 staleSlot 向前遍历数组，直到 Entry 为空时停止遍历。这一步的主要目的是查找 staleSlot 前面过期的 Entry 的数组下标 slotToExpunge。 从 staleSlot 向后遍历数组 若 Entry 的 key 与给定的 key 相等，将该 Entry 与 staleSlot 下标的 Entry 互换位置。目的是为了让新增的 Entry 放到它「应该」在的位置。 若找不到相等的 key，说明该 key 对应的 Entry 不在数组中，将新值放到 staleSlot 位置。该操作其实就是处理哈希冲突的「线性探测」方法：当某个位置已被占用，向后探测下一个位置。 若 staleSlot 前面存在过期的 Entry，则执行清理操作。
PS: 所谓 Entry「应该」在的位置，就是根据 key 的 threadLocalHashCode 与数组长度取余计算出来的位置，即
k.threadLocalHashCode & (len - 1)，或者哈希冲突之后的位置，这里只是为了方便描述。
expungeStaleEntry：清理过期的 Entry
// staleSlot 表示过期的槽位（即 Entry 数组的下标）
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 1. 将给定位置的 Entry 置为 null
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
// Rehash until we encounter null
Entry e;
int i;
// 遍历数组
for (i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null;
i = nextIndex(i, len)) {
// 获取 Entry 的 key
ThreadLocal k = e.get();
if (k == null) {
// 若 key 为 null，表示 Entry 过期，将 Entry 置空
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else {
// key 不为空，表示 Entry 未过期
// 计算 key 的位置，若 Entry 不在它「应该」在的位置，把它移到「应该」在的位置
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
if (h != i) {
tab[i] = null;
// Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
// null because multiple entries could have been stale.
while (tab[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
tab[h] = e;
}
}
}
return i;
}
该方法主要做了哪些工作呢？
清空给定位置的 Entry 从给定位置的下一个开始向后遍历数组 若遇到 Entry 为 null，结束遍历 若遇到 key 为空的 Entry（即过期的），就将该 Entry 置空 若遇到 key 不为空的 Entry，而且经过计算，该 Entry 并不在它「应该」在的位置，则将其移动到它「应该」在的位置 返回 staleSlot 后面的、Entry 为 null 的索引下标
cleanSomeSlots：清理一些槽（Slot）
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
boolean removed = false;
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
do {
i = nextIndex(i, len);
Entry e = tab[i];
// Entry 不为空、key 为空，即 Entry 过期
if (e != null && e.get() == null) {
n = len;
removed = true;
// 清理 i 后面连续过期的 Entry，直到 Entry 为 null，返回该 Entry 的下标
i = expungeStaleEntry(i);
}
} while ( (n >>>= 1) != 0);
return removed;
}
该方法做了什么呢？从给定位置的下一个开始扫描数组，若遇到 key 为空的 Entry（过期的），则清理该位置及其后面过期的槽。
值得注意的是，该方法循环执行的次数为 log(n)。由于该方法是在 set 方法内部被调用的，也就是新增/更新时：
如果不扫描和清理，set 方法执行速度很快，但是会存在一些垃圾（过期的 Entry）； 如果每次都扫描清理，不会存在垃圾，但是插入性能会降低到 O(n)。
因此，这个次数其实就一种平衡策略：Entry 数组较小时，就少清理几次；数组较大时，就多清理几次。
rehash：调整 Entry 数组
private void rehash() {
// 清理数组中过期的 Entry
expungeStaleEntries();
// Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
if (size >= threshold - threshold / 4)
resize();
}
// 从头开始清理整个 Entry 数组
private void expungeStaleEntries() {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
for (int j = 0; j < len; j++) {
Entry e = tab[j];
if (e != null && e.get() == null)
expungeStaleEntry(j);
}
}
该方法主要作用：
清理数组中过期的 Entry 若清理后 Entry 的数量大于等于 threshold 的 3/4，则执行 resize 方法进行扩容
resize 方法：Entry 数组扩容
/**
* Double the capacity of the table.
*/
private void resize() {
Entry[] oldTab = table;
int oldLen = oldTab.length;
int newLen = oldLen * 2; // 新长度为旧长度的两倍
Entry[] newTab = new Entry[newLen];
int count = 0;
// 遍历旧的 Entry 数组，将数组中的值移到新数组中
for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
Entry e = oldTab[j];
if (e != null) {
ThreadLocal k = e.get();
// 若 Entry 的 key 已过期，则将 Entry 清理掉
if (k == null) {
e.value = null; // Help the GC
} else {
// 计算在新数组中的位置
int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
// 哈希冲突，线性探测下一个位置
while (newTab[h] != null)
h = nextIndex(h, newLen);
newTab[h] = e;
count++;
}
}
}
// 设置新的阈值
setThreshold(newLen);
size = count;
table = newTab;
}
该方法的作用是 Entry 数组扩容，主要流程：
创建一个新数组，长度为原数组的 2 倍； 从下标 0 开始遍历旧数组的所有元素 若元素已过期（key 为空），则将 value 也置空 将未过期的元素移到新数组
3.4.2 get 方法
分析完了 set 方法，再看 get 方法就相对容易了不少。
get 方法：获取 ThreadLocal 对应的 Entry
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
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();
}
get 方法首先获取当前线程的 ThreadLocalMap 并判断：
若 Map 已存在，从 Map 中取值 若 Map 不存在，或者 Map 中获取的值为空，执行 setInitialValue 方法
setInitialValue 方法：获取/设置初始值
private T setInitialValue() {
// 获取初始值
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;
}
先取初始值，这个初始值默认为空（该方法是 protected，可以由子类初始化）。
若 Thread 的 ThreadLocalMap 已初始化，则将初始值存入 Map 否则，创建 ThreadLocalMap 返回初始值
除了初始值，其他逻辑跟 set 方法是一样的，这里不再赘述。
PS: 可以看到初始值是惰性初始化的。
getEntry：从 Entry 数组中获取给定 key 对应的 Entry
private Entry getEntry(ThreadLocal key) {
// 计算下标
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
// 查找命中
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
// key 未命中
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 遍历数组
while (e != null) {
ThreadLocal k = e.get();
if (k == key)
return e; // 是要找的 key，返回
if (k == null)
expungeStaleEntry(i); // Entry 已过期，清理 Entry
else
i = nextIndex(i, len); // 向后遍历
e = tab[i];
}
return null;
}
3.4.3 remove 方法
remove 方法：移除 ThreadLocal 对应的 Entry
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}
这里调用了 ThreadLocalMap 的 remove 方法：
private void remove(ThreadLocal key) {
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)]) {
if (e.get() == key) {
e.clear();
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}
其中 e.clear 调用的是 Entry 的父类 Reference 的 clear 方法：
public void clear() {
this.referent = null;
}
其实就是将 Entry 的 key 置空。
remove 方法的主要执行流程如下：
获取当前线程的 ThreadLocalMap 以当前 ThreadLocal 做为 key，从 Map 中查找相应的 Entry，将 Entry 的 key 置空 将该 ThreadLocal 对应的 Entry 置空，并向后遍历清理 Entry 数组，也就是 expungeStaleEntry 方法的操作，前面已经分析过了，这里不再赘述。
3.4.4 主要方法小结
ThreadLocal 的主要方法 set、get 和 remove 前面已经分析过，这里简单做个小结。
set 方法
以当前 ThreadLocal 为 key、新增的 Object 为 value 组成一个 Entry，放入 ThreadLocalMap，也就是 Entry 数组中。 计算 Entry 的位置后 若该槽为空，直接放到这里；并清理一些过期的 Entry，必要时进行扩容。 当遇到散列冲突时，线性探测向后查找数组中为空的、或者已经过期的槽，用新值替换。
get 方法
以当前 ThreadLocal 为 key，从 Entry 数组中查找对应 Entry 的 value 若 ThreadLocalMap 未初始化，则用给定初始值将其初始化 若 ThreadLocalMap 已初始化，从 Entry 数组查找 key
remove 方法：以当前 ThreadLocal 为 key，从 Entry 数组清理掉对应的 Entry，并且再清理该位置后面的、过期的 Entry
方法虽少，但是稍微有点绕，除了做本身的功能，都执行了一些额外的清理操作。
分析了这几个方法的源码之后，下面就来研究一下内存泄漏的问题。
4. 内存泄漏分析
首先说明一点，ThreadLocal 通常作为成员变量或静态变量来使用（也就是共享的），比如前面应用场景中的例子。因为局部变量已经在同一条线程内部了，没必要使用 ThreadLocal。
为便于理解，这里先给出了 Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap、Entry 这几个类在 JVM 的内存示意图：
简单说明：
当一个线程运行时，栈中存在当前 Thread 的栈帧，它持有 ThreadLocalMap 的强引用。
ThreadLocal 所在的类持有一个 ThreadLocal 的强引用；同时，ThreadLocalMap 中的 Entry 持有一个 ThreadLocal 的弱引用。
4.1 场景一
若方法执行完毕、线程正常消亡，则 Thread 的 ThreadLocalMap 引用将断开，如图：
以后 GC 发生时，弱引用也会断开，整个 ThreadLocalMap 都会被回收掉，不存在内存泄漏。
4.2 场景二
如果是线程池中的线程呢？也就是线程一直存活。经过 GC 后 Entry 持有的 ThreadLocal 引用断开，Entry 的 key 为空，value 不为空，如图所示：
此时，如果没有任何 remove 或者 get 等清理 Entry 数组的动作，那么该 Entry 的 value 持有的 Object 就不会被回收掉。这样就产生了内存泄漏。
这种情况其实也很容易避免，使用完执行 remove 方法就行了。
5. 小结
本文分析了 ThreadLocal 的主要方法实现，并分析了它可能存在内存泄漏的场景。
ThreadLocal 主要用于当前线程从共享变量中保存一份「副本」，常用的一个场景就是单点登录保存用户的登录信息。 ThreadLocal 将数据存储在 ThreadLocalMap 中，ThreadLocalMap 是由 Entry 构成的数组，结构有点类似 HashMap。 ThreadLocal 使用不当可能会造成内存泄漏。避免内存泄漏的方法是在方法调用结束前执行 ThreadLocal 的 remove 方法。
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