一文搞懂ThreadLocal原理
大家好，我是了不起。
ThreadLocal相信大家都用過，但你知道他的原理嗎，今天了不起帶大家學習ThreadLocal。
ThreadLocal是什么
在多線程編程中，經(jīng)常會遇到需要在不同線程中共享數(shù)據(jù)的情況。通常情況下，為了保證線程安全，我們需要使用鎖或其他同步機制。然而，有些情況下，我們希望在每個線程中都有一份獨立的數(shù)據(jù)副本，這就是ThreadLocal派上用場的地方。
ThreadLocal翻譯過來就是線程本地，也就是本地線程變量，意思是ThreadLocal中填充的變量屬于當前線程，該變量對其他線程而言是隔離的。ThreadLocal提供了一種機制，允許我們?yōu)槊總€線程創(chuàng)建獨立的變量，每個線程都可以獨立訪問自己的變量，而不會干擾其他線程的數(shù)據(jù)。ThreadLocal為變量在每個線程中都創(chuàng)建了一個副本，那么每個線程可以訪問自己內(nèi)部的副本變量，各個線程間互不影響，從而實現(xiàn)線程安全。
ThreadLocal的原理
ThreadLocal的原理涉及到兩個重要概念：ThreadLocal實例和ThreadLocalMap。
1. ThreadLocal實例
每個ThreadLocal對象實際上是一個容器，用于存儲線程本地的變量副本。每個線程都可以擁有自己的ThreadLocal實例，這些實例可以存儲不同的數(shù)據(jù)，互相之間互不影響。
2. ThreadLocalMap
ThreadLocalMap是ThreadLocal的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是一個哈希表。每個線程都有一個與之相關聯(lián)的ThreadLocalMap，用于存儲該線程所擁有的ThreadLocal實例以及對應的值。ThreadLocalMap中的鍵是ThreadLocal實例，值是該線程對應ThreadLocal實例的變量副本。
當我們調(diào)用ThreadLocal的set()方法設置值時，實際上是在當前線程的ThreadLocalMap中以ThreadLocal實例為鍵，將值存儲在對應的位置。而調(diào)用get()方法時，則是從當前線程的ThreadLocalMap中根據(jù)ThreadLocal實例獲取對應的值。
ThreadLocal怎么用，應用場景
public static void main(String[] args) {
IntStream.range(1, 5).forEach(i -> new Thread(() -> {
// 設置線程中本地變量的值
threadLocal.set("thread-" + i);
// 打印當前線程中本地內(nèi)存中本地變量的值
System.out.println(threadLocal.get());
// 清除本地內(nèi)存中的本地變量
threadLocal.remove();
// 打印本地變量
System.out.println("thread-" + i + " after remove: " + threadLocal.get());
}).start());
}
/*
thread-1
thread-4
thread-4 after remove: null
thread-2
thread-3
thread-2 after remove: null
thread-1 after remove: null
thread-3 after remove: null
*/從結(jié)果可以看到，每一個線程都有各自的值，并且互不影響。
應用場景
- 用戶訪問之后，在本地線程保存用戶的身份信息，在本次訪問過程中，可以隨時獲取用戶的身份信息以驗證身份。
- 在進行對象跨層傳遞的時候，使用ThreadLocal可以避免多次傳遞，打破層次間的約束。
- 數(shù)據(jù)庫連接管理：每個線程可以擁有自己的數(shù)據(jù)庫連接，避免了線程之間的數(shù)據(jù)庫連接混淆。
- 用戶身份管理：在Web應用中，可以將用戶身份信息存儲在ThreadLocal中，以便在整個請求處理過程中方便地訪問。
- 事務管理：將事務狀態(tài)存儲在ThreadLocal中，確保每個線程都能獨立管理自己的事務狀態(tài)。
ThreadLocal源碼分析
先看一下 ThreadLocal 和 Thread 的關系
圖片
Thread類中有一個threadLocals屬性，是ThreadLocal內(nèi)部類ThreadLocalMap類型的變量，ThreadLocalMap可以看作是一個HashMap，其內(nèi)部有一個內(nèi)部類為 Entry，繼承了WeakReference<ThreadLocal<?>>，是一個弱引用。Entry的key是ThreadLocal<?>，value是Object類型的值。
大致了解了Thread和ThreadLocal的關系之后，看一下Thread Local的源碼：我們只要看其主要的幾個方法，就可以完全了解ThreadLocal的原理了。
set方法
public void set(T value) {
// 獲取當前線程
Thread t = Thread.currentThread();
// 通過當前線程獲取線程中的ThreadLocal.ThreadLocalMap對象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
// map不為空，則直接賦值
map.set(this, value);
else
// map為空，則創(chuàng)建一個ThreadLocalMap對象
createMap(t, value);
}
// 根據(jù)提供的線程對象，和指定的值，創(chuàng)建一個ThreadLocalMap對象
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
// threadLocals是Thread類的一個屬性
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
/*
Thread 類 182行
// ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained by the ThreadLocal class.
與該線程有關的ThreadLocal值。這個映射由ThreadLocal類維護
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
*/get方法
// ThreadLocalMap中的內(nèi)部類，存放key，value
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
// 與此ThreadLocal關聯(lián)的值
Object value;
// k：ThreadLocal的引用，被傳遞給WeakReference的構(gòu)造方法
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
public T get() {
// 獲取當前線程
Thread t = Thread.currentThread();
// 通過當前線程獲取線程中的ThreadLocal.ThreadLocalMap對象
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
// map不為空，通過this(當前對象，即ThreadLocal對象)獲取Entry對象
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
// Entry不為空，則直接返回Entry中的value值
return result;
}
}
// 如果map或Entry為空，則返回初始值-null
return setInitialValue();
}
// 設置初始值，初始化ThreadLocalMap對象，并設置value為 null
private T setInitialValue() {
// 初始化值，此方法返回 null
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}remove方法
public void remove() {
// 通過當前線程獲取線程中的ThreadLocal.ThreadLocalMap對象
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
// 移除對象
m.remove(this);
}
// 根據(jù)key，刪除對應的所有值
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 獲取key對應的 Entry[] 下標
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
// 獲取下一個Entry對象
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
if (e.get() == key) {
e.clear();
// 通過重新哈希位于staleSlot和下一個null插槽之間的任何可能沖突的條目，來清除陳舊的條目。這還會清除尾隨null之前遇到的所有其他過時的條目，防止出現(xiàn)內(nèi)存泄漏問題
expungeStaleEntry(i);
return;
}
}
}總結(jié)：
- 每個Thread維護著一個ThreadLocalMap的引用
- ThreadLocalMap是ThreadLocal的內(nèi)部類，用Entry來進行存儲
- ThreadLocal創(chuàng)建的副本是存儲在自己的threadLocals中的，也就是自己的ThreadLocalMap。
- ThreadLocalMap的鍵為ThreadLocal對象，而且可以有多個threadLocal變量，因此保存在map中
- 在進行g(shù)et之前，必須先set，否則會報空指針異常，當然也可以初始化一個，但是必須重寫initialValue()方法。
- ThreadLocal本身并不存儲值，它只是作為一個key來讓線程從ThreadLocalMap獲取value。
注意事項
雖然ThreadLocal在某些情況下非常有用，但過度使用它也可能導致內(nèi)存泄漏問題。因為ThreadLocalMap中的數(shù)據(jù)只有在線程結(jié)束時才會被釋放，如果沒有正確地清理ThreadLocal實例，就可能會導致無限制的數(shù)據(jù)積累。
另外，ThreadLocal不適合在并發(fā)量非常大的情況下使用，因為每個線程都會創(chuàng)建自己的變量副本，可能會導致內(nèi)存消耗過大。
ThreadLocal內(nèi)存泄漏問題
在上面的代碼中，我們可以看出，當前ThreadLocal的引用k被傳遞給WeakReference的構(gòu)造函數(shù)，所以ThreadLocalMap中的key為ThreadLocal的弱引用。
如果當前線程一直存在且沒有調(diào)用該ThreadLocal的remove方法，如果這個時候別的地方還有對ThreadLocal的引用，那么當前線程中的ThreadLocalMap中會存在對ThreadLocal變量的引用和value對象的引用，是不會釋放的，會造成內(nèi)存泄漏。
ThreadLocalMap中的Entry的key使用的是ThreadLocal對象的弱引用，在沒有其他地方對ThreadLoca依賴，ThreadLocalMap中的ThreadLocal對象就會被回收掉，但是對應的value值不會被回收，這個時候Map中就可能存在key為null但是value不為null的項，也會造成內(nèi)存泄漏。
小結(jié)
ThreadLocal是一種多線程編程的工具，可以幫助我們在多線程環(huán)境中管理線程本地的變量。它通過ThreadLocal實例和ThreadLocalMap的組合實現(xiàn)了這一功能。
使用ThreadLocal時需要注意內(nèi)存泄漏和性能問題，確保合理使用。
使用完ThreadLocal后，一定執(zhí)行remove操作，避免出現(xiàn)內(nèi)存泄漏情況。
