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一文理解ThreadLocal

全菜工程师小辉

共 11082字，需浏览 23分钟

 ·

2021-06-28 08:30

本文讲解ThreadLocal、InheritableThreadLocal与TransmittableThreadLocal。

有关本文的实验代码，可以查看文末补充：“比较一下ThreadLocal、InheritableThreadLocal、TransmittableThreadLocal在线程池复用线程的情况下的执行情况”。

ThreadLocal

ThreadLocal的使用场景

  1. 分布式跟踪系统

  2. 日志收集记录系统上下文

  3. Session级Cache

  4. 应用容器或上层框架跨应用代码给下层SDK传递信息

举例：

  1. Spring的事务管理，用ThreadLocal存储Connection，从而各个DAO可以获取同一Connection，可以进行事务回滚，提交等操作。

  2. 某些业务场景下，需要强制读主库来保证数据的一致性。在Sharding-JDBC中使用了ThreadLocal来存储相关配置信息，实现优雅的数据传递。

  3. Spring Cloud Zuul用过滤器可以实现权限认证，日志记录，限流等功能，多个过滤器之间透传数据，底层使用了ThreadLocal。

  4. 在整个链路的日志中输出当前登录的用户ID，首先就得在拦截器获取过滤器中获取用户。ID，然后将用户ID进行存储到slf4j的MDC对象（底层使用ThreadLocal），然后进行链路传递打印日志。

ThreadLocal的结构

  1. ThreadLocal的get()、set()方法，实际操作的都是Thread.currentThread()，即当前线程的threadLocals变量。

  2. threadLocals变量包含了一个map成员变量（ThreadLocalMap）。

  3. ThreadLocalMap的key为当前ThreadLocal, value为set的值。

相同的key在不同的散列表中的值必然是独立的，每个线程都是在各自的散列表中执行操作，如下图所示：

ThreadLocal的set方法：

public void set(T value) {
    //currentThread是个native方法，会返回对当前执行线程对象的引用。
    Thread t = Thread.currentThread();
    //getMap 返回线程自身的threadLocals
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        //把value set到线程自身的ThreadLocalMap中了
        map.set(this, value);
    } else {
        //线程自身的ThreadLocalMap未初始化，则先初始化，再set
        createMap(t, value);
    }
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

ThreadLocal在set的时候，没有进行相应的深拷贝，所以ThreadLocal要想做线程隔离，必须是基本类型或者是Runable实现类的局部变量。

ThreadLocal造成内存泄漏

ThreadLocalMap内部Entry：

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

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

从代码中看到，Entry继承了WeakReference，并将ThreadLocal设置为了WeakReference，value设置为强引用。也就是：当没有强引用指向ThreadLocal变量时，它可被回收。

内存泄漏风险：ThreadLocalMap维护ThreadLocal变量与具体实例的映射，当ThreadLocal变量被回收后（变为null），无法路由到ThreadLocalMap。而该Entry还是在ThreadLocalMap中，从而这些无法清理的Entry，会造成内存泄漏。

所以，在使用ThreadLocal的时候，会话结束前务必使用ThreadLocal.remove方法（remove方法会将Entry的value及Entry自身设置为null并进行清理）。

ThreadLocal的最佳实践

  1. ThreadLocal使用时必须显式地调用remove方法来避免内存泄漏。

  2. ThreadLocal对象建议使用static修饰。这样做的好处是可以避免重复创建对象所导致的浪费（类第一次被使用时装载，只分配一块存储空间）。坏处是正好形成内存泄漏所需的条件(延长了ThreadLocal的生命周期，因此需要remove方法兜底)。

  3. 注释说明使用场景。

  4. 对性能有极致要求可以参考开源框架优化后的类，比如Netty的FastThreadLocal、Dubbo的InternalThreadLocal等。

InheritableThreadLocal

在全链路跟踪框架中，Trace信息的传递功能是基于ThreadLocal的。但实际业务中可能会使用异步调用，这样就会丢失Trace信息，破坏了链路的完整性。

此时可以使用JDK实现的InheritableThreadLocal，但它只支持父子线程间传递信息（例如：paramstream、new Thread等）。

Thread内部为InheritableThreadLocal开辟了一个单独的ThreadLocalMap（与ThreadLocal并列的成员变量）。在父线程创建一个子线程的时候，会检查这个ThreadLocalMap是否为空，不为空则会浅拷贝给子线程的ThreadLocalMap。

从类的继承层次来看，InheritableThreadLocal只是在ThreadLocal的get、set、remove流程中，重写了getMap、createMap方法，整体流程与ThreadLocal保持一致。

Thread的init相关逻辑如下：

if (parent.inheritableThreadLocals != null)
    this.inheritableThreadLocals = ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);

需要注意的是拷贝为浅拷贝。

TransmittableThreadLocal

InheritableThreadLocal可以在父线程创建子线程的时候将ThreadLocal中的值传递给子线程，从而完成链路跟踪框架中的上下文传递。

但大部分业务应用都会使用线程池，这种复用线程的池化场景中，线程池中的线程和主线程并不都是父子线程的关系，不能直接使用InheritableThreadLocal。

例如从Tomcat的线程（池化）提交task到业务线程池，就不能直接使用InheritableThreadLocal。

Transmittable ThreadLocal（简称TTL）是阿里开源的库，继承了InheritableThreadLocal，实现线程本地变量在线程池的执行过程中，能正常的访问父线程设置的线程变量。

TransmittableThreadLocal实现原理

InheritableThreadLocal不支持池化线程提交task到业务线程池的根本原因是，父线程创建子线程时，子线程InheritableThreadLocal只会复制一次环境变量。要支持线程池中能访问提交任务线程的本地变量，只需要在线程向线程池提交任务时复制父线程的上下环境，那在线程池中就能够访问到父线程中的本地变量，实现本地环境变量在线程池调用中的透传。

源码见于参考文档1，README有很详细的讲解，核心源码也不难，建议看看。

此外，项目引入TTL的时候，可以使用Java Agent植入修饰代码，修改runnable或者callable类，可以做到对应用代码无侵入（这个在README也有相关讲解）。

补充说明

ThreadLocal、InheritableThreadLocal、TransmittableThreadLocal在线程池复用线程的情况下的执行情况如下：

1.线程局部变量为基础类型

1.1 ThreadLocal

class TransmittableThreadLocalTest1 {
    static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    static ExecutorService executorService =
            Executors.newFixedThreadPool(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("主线程开启");
        threadLocal.set(1);
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        threadLocal.set(2);
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            //[没有读到了主线程修改后的新值]
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
            threadLocal.set(3);
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //依旧读取的是 2
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
    }
}

输出结果为：

主线程开启
主线程读取本地变量：1
子线程读取本地变量：null
主线程读取本地变量：2
子线程读取本地变量：null
子线程读取本地变量：3
主线程读取本地变量：2

1.2 InheritableThreadLocal

class TransmittableThreadLocalTest2 {
    static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();
    static ExecutorService executorService =
            Executors.newFixedThreadPool(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("主线程开启");
        threadLocal.set(1);
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        threadLocal.set(2);
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            //[没有读到了主线程修改后的新值]
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
            threadLocal.set(3);
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //依旧读取的是 2
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
    }
}

输出结果为：

主线程开启
主线程读取本地变量：1
子线程读取本地变量：1
主线程读取本地变量：2
子线程读取本地变量：1
子线程读取本地变量：3
主线程读取本地变量：2

1.3 TransmittableThreadLocal

class TransmittableThreadLocalTest3 {
    static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new TransmittableThreadLocal<>();
    static ExecutorService executorService =
            TtlExecutors.getTtlExecutorService(Executors.newFixedThreadPool(1));

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("主线程开启");
        threadLocal.set(1);
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        threadLocal.set(2);
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            //[读到了主线程修改后的新值]
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
            threadLocal.set(3);
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //依旧读取的是 2
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
    }
}

输出结果为：

主线程开启
主线程读取本地变量：1
子线程读取本地变量：1
主线程读取本地变量：2
子线程读取本地变量：2
子线程读取本地变量：3
主线程读取本地变量：2

2.线程局部变量为类对象

首先定义一个数据类：

@Data
@AllArgsConstructor
class UserSession{
    String uuid;
    String nickname;
}

2.1 ThreadLocal

class TransmittableThreadLocalTest4 {
    static ThreadLocal<UserSession> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    static ExecutorService executorService =
            Executors.newFixedThreadPool(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("主线程开启");
        threadLocal.set(new UserSession("001","hello"));
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        threadLocal.get().setNickname("world");
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            //[没有读到了主线程修改后的新值]
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
            threadLocal.get().setNickname("Java");
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //依旧读取的是 world
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
    }
}

输出结果为：

主线程开启
主线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=hello)
子线程读取本地变量：null
主线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=world)
子线程读取本地变量：null
主线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=world)

2.2 InheritableThreadLocal

class TransmittableThreadLocalTest5 {
    static ThreadLocal<UserSession> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();
    static ExecutorService executorService =
            Executors.newFixedThreadPool(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("主线程开启");
        threadLocal.set(new UserSession("001","hello"));
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        threadLocal.get().setNickname("world");
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            //[读到了主线程修改后的新值]
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
            threadLocal.get().setNickname("Java");
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //读取的是 Java（因为浅拷贝）
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
    }
}
主线程开启
主线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=hello)
子线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=hello)
主线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=world)
子线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=world)
子线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=Java)
主线程读取本地变量：UserSession(uuid=001, nickname=Java)

2.3 InheritableThreadLocal

class TransmittableThreadLocalTest6 {
    static ThreadLocal<UserSession> threadLocal = new TransmittableThreadLocal<>();
    static ExecutorService executorService =
            TtlExecutors.getTtlExecutorService(Executors.newFixedThreadPool(1));

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("主线程开启");
        threadLocal.set(new UserSession("001","hello"));
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        threadLocal.get().setNickname("world");
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());

        executorService.submit(() -> {
            //[读到了主线程修改后的新值]
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
            threadLocal.get().setNickname("Java");
            System.out.println("子线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
        });

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //读取的是 Java（因为浅拷贝）
        System.out.println("主线程读取本地变量：" + threadLocal.get());
    }
}

输出结果与上面2.2的结果一样

参考文档：

  1. https://github.com/alibaba/transmittable-thread-local


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