重温并发知识，从ThreadLocal开始
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2021-08-18 22:11
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什么是ThreadLocal
ThreadLocal提供线程的局部变量，这种变量与普通变量的区别在于，每个访问这种变量的线程都有自己的、独立的变量副本。用于解决多线程间的数据隔离问题。
使用场景
其实ThreadLocal在很多开源框架中都有应用：
Spring中的事务管理器，比如TransactionSynchronizationManager等。 Mybatis中的ErrorContext类，使用ThreadLocal实现线程安全的单例。 存储session中的一些参数，比如用户信息等。
API
ThreadLocal提供了4个常用方法：
set()方法，设置当前线程中变量的副本。get()方法，获取ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本。remove()方法，清空当前线程中变量的副本。initialValue()是一个protected方法，一般是用来重写的，如果在没有set的时候就调用get，会调用initialValue方法初始化内容。
private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> simpleDateFormatThreadLocal = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>(){
//重写此方法，初始化ThreadLocal的value
@Override
protected SimpleDateFormat initialValue() {
return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
}
};
原理
那么怎么实现数据隔离的，我们从源码的角度进行分析。
我们先看ThreadLocal类的get()方法。
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
//通过当前线程获取ThreadLocalMap
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();
}
private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
//返回Thread实例的成员变量threadLocals
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
//给Thread实例的成员变量threadLocals赋值
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
从源码可以看出，数据是存在于Thread类的成员变量threadLocals
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
上面写了一段注释，翻译过来就是，关于该线程的ThreadLocal的值，由ThreadLocal类进行维护。
所以很清楚了，数据隔离的实现是因为ThreadLocal类操作的是Thread的成员变量threadLocals。每个线程Thread都有自己的threadLocals，从而互相不影响。
threadLocals这个成员变量的本质又是ThreadLocalMap类，它是ThreadLocal的内部类，下面我们研究一下这个内部类的数据结构。
数据结构
先看一下源码：
static class ThreadLocalMap {
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
//初始化容量
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
//散列表
private Entry[] table;
//有效数量
private int size = 0;
//负载因子
private int threshold;
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}
//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);
}
}
这一看跟HashMap还有几分相似，但是哈希冲突的处理方式，ThreadLocalMap采用的是开放寻址法(自行百度一下，这里不多解释了)，大概长这个样子：
所以这里可以看出ThreadLocal的引用可以定位到ThreadLocalMap里散列表table[]里的值。
内存泄漏问题
我们从源码中可以看到Entry是继承WeakReference类，key是弱引用，value是强引用。为什么要设计成弱引用？不如反过来想，如果设置成强引用会有什么效果。
如果Entry对象的Key每个都强引用到ThreadLocal对象的话，那么这个ThreadLocal对象就会因为和Entry对象存在强引用关联而无法被GC回收，造成内存泄漏，除非线程结束后，线程被回收了，ThreadLocalMap才会跟着回收。
当作为Key的ThreadLocal对象设置成弱引用对象后，在系统GC的时候，ThreadLocal对象就会被回收。
但是这样就能防止内存泄漏吗？
其实不然！因为Value还是强引用对象，当Key被回收后，key变成了null值，而Value依然存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value永远无法回收，而这块value也永远不会被访问到了，最终造成内存泄漏。
所以在设计ThreadLocalMap时就考虑到这个问题，在ThreadLocal的get()、set()、remove()的时候都会清除线程ThreadLocalMap里所有key为null的value。
总结
其实ThreadLocal并没有解决多线程间数据共享的问题，而是使数据在不同线程有不同的副本，那么就不需要解决共享数据的问题。
每个线程持有一个ThreadLocalMap对象，该ThreadLocalMap对象只会被持有它的线程访问，所以不存在线程安全问题。
ThreadLocalMap的数据结构类似HashMap，里面由Entry[]数组、size、负载因子等组成，采用开放寻址法解决哈希冲突。
ThreadLocalMap的Entry对ThreadLocal对象是弱引用，GC回收后，会产生一些key为null的value无法被访问，也无法被回收，最终导致内存泄漏。预防措施是调用ThreadLocal的remove()方法，清除掉ThreadLocalMap里面key为null的value。
非常感谢你的阅读，希望这篇文章能给到你帮助和启发。
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