趣头条面试题：ThreadLocal是什么？怎么用？为什么用它？有什么缺点

前言

相信很多同学都听过ThreadLocal，即使没用过也听过。但是要仔细一问ThreadLocal是个啥，很多同学也不一定能说清楚。本篇博客就是为了回答关于ThreadLocal的一系列灵魂拷问：ThreadLocal是个什么？怎么用？为什么要用它？它有什么缺点？怎么避免…

ThreadLoacl是什么

在了解ThreadLocal之前，我们先了解下什么是线程封闭

把对象封闭在一个线程里，即使这个对象不是线程安全的，也不会出现并发安全问题。

实现线程封闭大致有三种方式：

• Ad-hoc线程封闭：维护线程封闭性的职责完全由程序来承担，不推荐使用

• 栈封闭：就是用栈（stack）来保证线程安全

public void testThread() {
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    sb.append("Hello");
}

StringBuilder是线程不安全的，但是它只是个局部变量，局部变量存储在虚拟机栈，虚拟机栈是线程隔离的，所以不会有线程安全问题

• ThreadLocal线程封闭：简单易用

第三种方式就是通过ThreadLocal来实现线程封闭，线程封闭的指导思想是封闭，而不是共享。所以说ThreadLocal是用来解决变量共享的并发安全问题，多少有些不精确。

使用

JDK1.2开始提供的java.lang.ThreadLocal的使用方式非常简单

public class ThreadLocalDemo {
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        final ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
        threadLocal.set("main-thread : Hello");
        
        Thread thread = new Thread(() -> {
            // 获取不到主线程设置的值，所以为null
            System.out.println(threadLocal.get());
            threadLocal.set("sub-thread : World");
            System.out.println(threadLocal.get());
        });
        // 启动子线程
        thread.start();
        // 让子线程先执行完成，再继续执行主线
        thread.join();
        // 获取到的是主线程设置的值，而不是子线程设置的
        System.out.println(threadLocal.get());
        threadLocal.remove();
        System.out.println(threadLocal.get());
    }
}

运行结果

null
sub-thread : World
main-thread : Hello
null

运行结果说明了ThreadLocal只能获取本线程设置的值，也就是线程封闭。基本上，ThreadLocal对外提供的方法只有三个get()、set(T)、remove()。

原理

使用方式非常简单，所以我们来看看ThreadLocal的源码。ThreadLocal内部定义了一个静态ThreadLocalMap类，ThreadLocalMap内部又定义了一个Entry类，这里只看一些主要的属性和方法

public class ThreadLocal<T> {

    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();
    }

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

     public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
     }

 // 从这里可以看出ThreadLocalMap对象是被Thread类持有的
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

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

 // 内部类ThreadLocalMap
    static class ThreadLocalMap {
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;
   // 内部类Entity，实际存储数据的地方
   // Entry的key是ThreadLocal对象，不是当前线程ID或者名称
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
  // 注意这里维护的是Entry数组
        private Entry[] table;
    }
}

根据上面的源码，可以大致画出ThreadLocal在虚拟机内存中的结构

实线箭头表示强引用，虚线箭头表示弱引用（关于对象的四种引用，可以参考博主之前的博客：Java中四种引用）。需要注意的是：

• ThreadLocalMap虽然是在ThreadLocal类中定义的，但是实际上被Thread持有。
• Entry的key是（虚引用的）ThreadLocal对象，而不是当前线程ID或者线程名称。
• ThreadLocalMap中持有的是Entry数组，而不是Entry对象。

对于第一点，ThreadLocalMap被Thread持有是为了实现每个线程都有自己独立的ThreadLocalMap对象，以此为基础，做到线程隔离。第二点和第三点理解，我们先来想一个问题，如果同一个线程中定义了多个ThreadLocal对象，内存结构应该是怎样的？此时再来看一下ThreadLocal.set(T)方法：

 public void set(T value) {
   // 获取当前线程对象
     Thread t = Thread.currentThread();
     // 根据线程对象获取ThreadLocalMap对象（ThreadLocalMap被Thread持有）
     ThreadLocalMap map = getMap(t);
     // 如果ThreadLocalMap存在，则直接插入；不存在，则新建ThreadLocalMap
     if (map != null)
         map.set(this, value);
     else
         createMap(t, value);
 }

也就是说，如果程序定义了多个ThreadLocal，会共用一个ThreadLocalMap对象，所以内存结构应该是这样

这个内存结构图解释了第二点和第三点。假设Entry中key为当前线程ID或者名称的话，那么程序中定义多个ThreadLocal对象时，Entry数组中的所有Entry的key都一样（或者说只能存一个value）。ThreadLocalMap中持有的是Entry数组，而不是Entry，则是因为程序可定义多个ThreadLocal对象，自然需要一个数组。

内存泄漏

ThreadLocal会发生内存泄漏吗？

会

仔细看下ThreadLocal内存结构就会发现，Entry数组对象通过ThreadLocalMap最终被Thread持有，并且是强引用。也就是说Entry数组对象的生命周期和当前线程一样。即使ThreadLocal对象被回收了，Entry数组对象也不一定被回收，这样就有可能发生内存泄漏。ThreadLocal在设计的时候就提供了一些补救措施：

• Entry的key是弱引用的ThreadLocal对象，很容易被回收，导致key为null（但是value不为null）。所以在调用get()、set(T)、remove()等方法的时候，会自动清理key为null的Entity。
• remove()方法就是用来清理无用对象，防止内存泄漏的。所以每次用完ThreadLocal后需要手动remove()。

有些文章认为是弱引用导致了内存泄漏，其实是不对的。假设把弱引用变成强引用，这样无用的对象key和value都不为null，反而不利于GC，只能通过remove()方法手动清理，或者等待线程结束生命周期。也就是说ThreadLocalMap的生命周期由持有它的线程来决定，线程如果不进入terminated状态，ThreadLocalMap就不会被GC回收，这才是ThreadLocal内存泄露的原因。

应用场景

• 维护JDBC的java.sql.Connection对象，因为每个线程都需要保持特定的Connection对象。
• Web开发时，有些信息需要从controller传到service传到dao，甚至传到util类。看起来非常不优雅，这时便可以使用ThreadLocal来优雅的实现。
• 包括线程不安全的工具类，比如Random、SimpleDateFormat等

与synchronized的关系

有些文章拿ThreadLocal和synchronized比较，其实它们的实现思想不一样。

• synchronized是同一时间最多只有一个线程执行，所以变量只需要存一份，算是一种时间换空间的思想
• ThreadLocal是多个线程互不影响，所以每个线程存一份变量，算是一种空间换时间的思想

总结

ThreadLocal是一种隔离的思想，当一个变量需要进行线程隔离时，就可以考虑使用ThreadLocal来优雅的实现。

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