ThreadLocal-面试必问深度解析

港控/mmm° 2023-07-06 08:52 48阅读 0赞

推荐：[Java并发编程汇总][Java]

## ThreadLocal-面试必问深度解析 ##

**原文地址**

[ThreadLocal-面试必问深度解析][ThreadLocal-]

## ThreadLocal是什么 ##

ThreadLocal是一个本地线程副本变量工具类。主要用于将私有线程和该线程存放的副本对象做一个映射，各个线程之间的变量互不干扰，在高并发场景下，可以实现无状态的调用，特别适用于各个线程依赖不同的变量值完成操作的场景。

## 从数据结构入手 ##

**下图为ThreadLocal的内部结构图**  
![在这里插入图片描述][format_png]  
从上面的结构图，我们已经窥见ThreadLocal的核心机制：

1.  每个Thread线程内部都有一个Map。
2.  Map里面存储线程本地对象（key）和线程的变量副本（value）。
3.  但是，Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向Map获取和设置线程的变量值。

所以对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

Thread线程内部的Map在类中描述如下：

public class Thread implements Runnable { 
        /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained * by the ThreadLocal class. */
        ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    }

## 深入解析ThreadLocal ##

ThreadLocal类提供如下几个核心方法：

public T get()
    public void set(T value)
    protected T initialValue()
    public void remove()

*  get()方法用于获取当前线程的副本变量值。
 *  set()方法用于保存当前线程的副本变量值。
 *  initialValue()为当前线程初始副本变量值。
 *  remove()方法移除当前前程的副本变量值。

**get()方法**

/** * Returns the value in the current thread's copy of this * thread-local variable. If the variable has no value for the * current thread, it is first initialized to the value returned * by an invocation of the {@link #initialValue} method. * * @return the current thread's value of this thread-local */
    public T get() { 
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) { 
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null)
                return (T)e.value;
        }
        return setInitialValue();
    }
    
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) { 
        return t.threadLocals;
    }
    
    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;
    }
    
    protected T initialValue() { 
        return null;
    }

步骤：  
1.获取当前线程的ThreadLocalMap对象threadLocals。  
2.从map中获取线程存储的K-V Entry节点。  
3.从Entry节点获取存储的Value副本值返回。  
4.map为空的话返回初始值null，即线程变量副本为null，在使用时需要注意判断NullPointerException。

**set()方法**

/** * Sets the current thread's copy of this thread-local variable * to the specified value. Most subclasses will have no need to * override this method, relying solely on the {@link #initialValue} * method to set the values of thread-locals. * * @param value the value to be stored in the current thread's copy of * this thread-local. */
    public void set(T value) { 
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }
    
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) { 
        return t.threadLocals;
    }
    
    void createMap(Thread t, T firstValue) { 
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

步骤：  
1.获取当前线程的成员变量map。  
2.map非空，则重新将ThreadLocal和新的value副本放入到map中。  
3.map空，则对线程的成员变量ThreadLocalMap进行初始化创建，并将ThreadLocal和value副本放入map中。

**remove()方法**

/** * Removes the current thread's value for this thread-local * variable. If this thread-local variable is subsequently * {@linkplain #get read} by the current thread, its value will be * reinitialized by invoking its {@link #initialValue} method, * unless its value is {@linkplain #set set} by the current thread * in the interim. This may result in multiple invocations of the * <tt>initialValue</tt> method in the current thread. * * @since 1.5 */
    public void remove() { 
     ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
     if (m != null)
         m.remove(this);
    }
    
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) { 
        return t.threadLocals;
    }

remove方法比较简单，不做赘述。

## ThreadLocalMap ##

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也独立实现。  
![在这里插入图片描述][format_png 1]  
在ThreadLocalMap中，也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象，这点被Entry的构造方法已经限定死了。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> { 
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;
    
        Entry(ThreadLocal k, Object v) { 
            super(k);
            value = v;
        }
    }

Entry继承自WeakReference（弱引用，生命周期只能存活到下次GC前），但只有Key是弱引用类型的，Value并非弱引用。

ThreadLocalMap的成员变量：

static class ThreadLocalMap { 
        /** * The initial capacity -- MUST be a power of two. */
        private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    
        /** * The table, resized as necessary. * table.length MUST always be a power of two. */
        private Entry[] table;
    
        /** * The number of entries in the table. */
        private int size = 0;
    
        /** * The next size value at which to resize. */
        private int threshold; // Default to 0
    }

## Hash冲突怎么解决 ##

和HashMap最大的不同在于，ThreadLocalMap结构非常简单，没有next引用，也就是说ThreadLocalMap中解决Hash冲突的方式并非链表的方式，而是采用**线性探测**的方式，所谓线性探测，就是根据初始key的hashcode值确定元素在table数组中的位置，如果发现这个位置上已经有其他key值的元素被占用，则利用固定的算法寻找一定步长的下个位置，依次判断，直至找到能够存放的位置。

ThreadLocalMap解决Hash冲突的方式就是简单的步长加1或减1，寻找下一个相邻的位置。

/** * Increment i modulo len. */
    private static int nextIndex(int i, int len) { 
        return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
    }
    
    /** * Decrement i modulo len. */
    private static int prevIndex(int i, int len) { 
        return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
    }

显然ThreadLocalMap采用线性探测的方式解决Hash冲突的效率很低，如果有大量不同的ThreadLocal对象放入map中时发送冲突，或者发生二次冲突，则效率很低。

所以这里引出的良好建议是：每个线程只存一个变量，这样的话所有的线程存放到map中的Key都是相同的ThreadLocal，如果一个线程要保存多个变量，就需要创建多个ThreadLocal，多个ThreadLocal放入Map中时会极大的增加Hash冲突的可能。

**ThreadLocalMap的问题**

由于ThreadLocalMap的key是弱引用，而Value是强引用。这就导致了一个问题，ThreadLocal在没有外部对象强引用时，发生GC时弱引用Key会被回收，而Value不会回收，如果创建ThreadLocal的线程一直持续运行，那么这个Entry对象中的value就有可能一直得不到回收，发生内存泄露。

**如何避免泄漏**

既然Key是弱引用，那么我们要做的事，就是在调用ThreadLocal的get()、set()方法时完成后再调用remove方法，将Entry节点和Map的引用关系移除，这样整个Entry对象在GC Roots分析后就变成不可达了，下次GC的时候就可以被回收。

如果使用ThreadLocal的set方法之后，没有显示的调用remove方法，就有可能发生内存泄露，所以养成良好的编程习惯十分重要，使用完ThreadLocal之后，记得调用remove方法。

ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();
    try { 
        threadLocal.set(new Session(1, "Misout的博客"));
        // 其它业务逻辑
    } finally { 
        threadLocal.remove();
    }

## 应用场景 ##

还记得Hibernate的session获取场景吗？

private static final ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();
    
    //获取Session
    public static Session getCurrentSession(){ 
        Session session =  threadLocal.get();
        //判断Session是否为空，如果为空，将创建一个session，并设置到本地线程变量中
        try { 
            if(session ==null&&!session.isOpen()){ 
                if(sessionFactory==null){ 
                    rbuildSessionFactory();// 创建Hibernate的SessionFactory
                }else{ 
                    session = sessionFactory.openSession();
                }
            }
            threadLocal.set(session);
        } catch (Exception e) { 
            // TODO: handle exception
        }
    
        return session;
    }

为什么？每个线程访问数据库都应当是一个独立的Session会话，如果多个线程共享同一个Session会话，有可能其他线程关闭连接了，当前线程再执行提交时就会出现会话已关闭的异常，导致系统异常。此方式能避免线程争抢Session，提高并发下的安全性。

使用ThreadLocal的典型场景正如上面的数据库连接管理，线程会话管理等场景，只适用于独立变量副本的情况，如果变量为全局共享的，则不适用在高并发下使用。

## 总结 ##

*  每个ThreadLocal只能保存一个变量副本，如果想要上线一个线程能够保存多个副本以上，就需要创建多个ThreadLocal。
 *  ThreadLocal内部的ThreadLocalMap键为弱引用，会有内存泄漏的风险。
 *  适用于无状态，副本变量独立后不影响业务逻辑的高并发场景。如果业务逻辑强依赖于副本变量，则不适合用ThreadLocal解决，需要另寻解决方案。

[Java]: https://kaven.blog.csdn.net/article/details/104233588
[ThreadLocal-]: https://www.jianshu.com/p/98b68c97df9b
[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy83NDMyNjA0LWFkMmZmNTgxMTI3YmE4Y2MuanBn?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy83NDMyNjA0LTViYmUwOTBkNDY3ODkwODQucG5n?x-oss-process=image/format,png