线程封闭机制强调局部的概念，就是在写代码的时候，尽量使用局部变量代替全局变量（这种叫做栈封闭），如果一定要使用全局变量，而又想让多个线程之间在访问共享变量的时候互不影响，那就使用ThreadLocal<T>。ThreadLocal<T>提供了一种方式，可以让线程在操作共享变量时，复制该共享变量的一个副本到线程自己的栈空间，以后就操作这个副本空间来代替共享空间，这是一种封闭的手段。
想必很多朋友对ThreadLocal并不陌生，今天我们就来一起探讨下ThreadLocal的使用方法和实现原理。首先，本文先谈一下对ThreadLocal的理解，然后根据ThreadLocal类的源码分析了其实现原理和使用需要注意的地方，最后给出了两个应用场景。
以下是本文目录大纲：
一.对ThreadLocal的理解
二.深入解析ThreadLocal类
三.ThreadLocal的应用场景
首先ThreadLocal、ThreadLocalMap、Thread关系详细解析
1、ThreadLocal类用于存储以线程为作用域的数据，线程之间数据隔离。
2、ThreadLocalMap类是ThreadLocal的静态内部类，通过操作Entry来存储数据。
3、Thread类比较常用，线程类内部维持一个ThreadLocalMap类实例（threadLocals）。
一.对ThreadLocal的理解
ThreadLocal，很多地方叫做线程本地变量，也有些地方叫做线程本地存储，其实意思差不多。可能很多朋友都知道ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，那么每个线程可以访问自己内部的副本变量。
这句话从字面上看起来很容易理解，但是真正理解并不是那么容易。
我们还是先来看一个例子：
class ConnectionManager { private static Connection connect = null; public static Connection openConnection() { if(connect == null){ connect = DriverManager.getConnection(); } return connect; } public static void closeConnection() { if(connect!=null) connect.close(); } }
假设有这样一个数据库链接管理类，这段代码在单线程中使用是没有任何问题的，但是如果在多线程中使用呢？很显然，在多线程中使用会存在线程安全问题：
第一，这里面的2个方法都没有进行同步，很可能在openConnection方法中会多次创建connect；
第二，由于connect是共享变量，那么必然在调用connect的地方需要使用到同步来保障线程安全，因为很可能一个线程在使用connect进行数据库操作，而另外一个线程调用closeConnection关闭链接。
所以出于线程安全的考虑，必须将这段代码的两个方法进行同步处理，并且在调用connect的地方需要进行同步处理。
这样将会大大影响程序执行效率，因为一个线程在使用connect进行数据库操作的时候，其他线程只有等待。
那么大家来仔细分析一下这个问题，这地方到底需不需要将connect变量进行共享？事实上，是不需要的。假如每个线程中都有一个connect变量，各个线程之间对connect变量的访问实际上是没有依赖关系的，即一个线程不需要关心其他线程是否对这个connect进行了修改的。
到这里，可能会有朋友想到，既然不需要在线程之间共享这个变量，可以直接这样处理，在每个需要使用数据库连接的方法中具体使用时才创建数据库链接，然后在方法调用完毕再释放这个连接。比如下面这样：
class ConnectionManager { private Connection connect = null; public Connection openConnection() { if(connect == null){ connect = DriverManager.getConnection(); } return connect; } public void closeConnection() { if(connect!=null) connect.close(); } } class Dao{ public void insert() { ConnectionManager connectionManager = new ConnectionManager(); Connection connection = connectionManager.openConnection(); //使用connection进行操作 connectionManager.closeConnection(); } }
这样处理确实也没有任何问题，由于每次都是在方法内部创建的连接，那么线程之间自然不存在线程安全问题。但是这样会有一个致命的影响：导致服务器压力非常大，并且严重影响程序执行性能。由于在方法中需要频繁地开启和关闭数据库连接，这样不尽严重影响程序执行效率，还可能导致服务器压力巨大。
那么这种情况下使用ThreadLocal是再适合不过的了，因为ThreadLocal在每个线程中对该变量会创建一个副本，即每个线程内部都会有一个该变量，且在线程内部任何地方都可以使用，线程之间互不影响，这样一来就不存在线程安全问题，也不会严重影响程序执行性能。
但是要注意，虽然ThreadLocal能够解决上面说的问题，但是由于在每个线程中都创建了副本，所以要考虑它对资源的消耗，比如内存的占用会比不使用ThreadLocal要大。
二.深入解析ThreadLocal类
在上面谈到了对ThreadLocal的一些理解，那我们下面来看一下具体ThreadLocal是如何实现的。
先了解一下ThreadLocal类提供的几个方法：
public T get() { } public void set(T value) { } public void remove() { } protected T initialValue() { }
get()方法是用来获取ThreadLocal在当前线程中保存的变量副本，set()用来设置当前线程中变量的副本，remove()用来移除当前线程中变量的副本，initialValue()是一个protected方法，一般是用来在使用时进行重写的，它是一个延迟加载方法，下面会详细说明。
首先我们来看一下ThreadLocal类是如何为每个线程创建一个变量的副本的。
先看下get方法的实现：
/** * 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) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } return setInitialValue(); }
第一句是取得当前线程，然后通过getMap(t)方法获取到一个map，map的类型为ThreadLocalMap。然后接着下面获取到<key,value>键值对，注意这里获取键值对传进去的是 this，而不是当前线程t。
如果获取成功，则返回value值。
如果map为空，则调用setInitialValue方法返回value。
我们上面的每一句来仔细分析：
首先看一下getMap方法中做了什么：
/** * Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in * InheritableThreadLocal. * * @param t the current thread * @return the map */ ThreadLocalMap getMap(Thread t) { return t.threadLocals; }
可能大家没有想到的是，在getMap中，是调用当前线程t，返回当前线程t中的一个成员变量threadLocals。
那么我们继续取Thread类中取看一下成员变量threadLocals是什么：
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained * by the ThreadLocal class. */ ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
实际上就是一个ThreadLocalMap，这个类型是ThreadLocal类的一个内部类，我们继续取看ThreadLocalMap的实现,
ThreadLocalMap里面是一个Entry的数组，并提供了set(ThreadLocal<?> key, Object value)，getEntry(ThreadLocal<?> key)，remove(ThreadLocal<?> key)等功能。
之所以用map而不使用Object，也很容易理解，因为这样每个线程都可以保存不止一个ThreadLocal类型的属性。例如下面的例子中，有两个ThreadLocal变量：ThreadLocal<Long>和ThreadLocal<String>，这时就需要实例化两个ThreadLocal，然后分别作为key保存到Thread里面，如果别的地方还有使用到ThreadLocal的地方，再实例化一个ThreadLocal，然后将自己作为key，put到Thread里面。也就是Thread中的那个map的每一个key-value代表着一个ThreadLocal类型的参数。这个map属性叫threadLocals，它的类型时定义在ThreadLocal中的静态类ThreadLocal.ThreadLocalMap。
static class ThreadLocalMap { /** * The entries in this hash map extend WeakReference, using * its main ref field as the key (which is always a * ThreadLocal object). Note that null keys (i.e. entry.get() * == null) mean that the key is no longer referenced, so the * entry can be expunged from table. Such entries are referred to * as "stale entries" in the code that follows. */ static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { /** The value associated with this ThreadLocal. */ Object value; Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super(k); value = v; } } /** * 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 //... }
注意：可以看到ThreadLocalMap的Entry继承了WeakReference，并且使用ThreadLocal作为键值。这里有内存泄漏的风险。
然后再继续看setInitialValue方法的具体实现：
/** * Variant of set() to establish initialValue. Used instead * of set() in case user has overridden the set() method. * * @return the initial value */ 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; }
很容易了解，就是如果map不为空，就设置键值对，为空，再创建Map，看一下createMap的实现：
至此，可能大部分朋友已经明白了ThreadLocal是如何为每个线程创建变量的副本的：
首先，在每个线程Thread内部有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals，这个threadLocals就是用来存储实际的变量副本的，键值为当前ThreadLocal变量，value为变量副本（即T类型的变量）。
初始时，在Thread里面，threadLocals为空，当通过ThreadLocal变量调用get()方法或者set()方法，就会对Thread类中的threadLocals进行初始化，并且以当前ThreadLocal变量为键值，以ThreadLocal要保存的副本变量为value，存到threadLocals。
然后在当前线程里面，如果要使用副本变量，就可以通过get方法在threadLocals里面查找。
下面通过一个例子来证明通过ThreadLocal能达到在每个线程中创建变量副本的效果：
public class Test { ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>(); ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>(); public void set() { longLocal.set(Thread.currentThread().getId()); stringLocal.set(Thread.currentThread().getName()); } public long getLong() { return longLocal.get(); } public String getString() { return stringLocal.get(); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final Test test = new Test(); test.set(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); Thread thread1 = new Thread(){ public void run() { test.set(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); }; }; thread1.start(); thread1.join(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); } }
这段代码的输出结果为：
从这段代码的输出结果可以看出，在main线程中和thread1线程中，longLocal保存的副本值和stringLocal保存的副本值都不一样。最后一次在main线程再次打印副本值是为了证明在main线程中和thread1线程中的副本值确实是不同的。
总结一下：
1）实际的通过ThreadLocal创建的副本是存储在每个线程自己的threadLocals中的；
2）为何threadLocals的类型ThreadLocalMap的键值为ThreadLocal对象，因为每个线程中可有多个threadLocal变量，就像上面代码中的longLocal和stringLocal；
3）在进行get之前，必须先set，否则会报空指针异常；
如果想在get之前不需要调用set就能正常访问的话，必须重写initialValue()方法。
因为在上面的代码分析过程中，我们发现如果没有先set的话，即在map中查找不到对应的存储，则会通过调用setInitialValue方法返回i，而在setInitialValue方法中，有一个语句是T value = initialValue()， 而默认情况下，initialValue方法返回的是null。
看下面这个例子：
public class Test { ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>(); ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>(); public void set() { longLocal.set(Thread.currentThread().getId()); stringLocal.set(Thread.currentThread().getName()); } public long getLong() { return longLocal.get(); } public String getString() { return stringLocal.get(); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final Test test = new Test(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); Thread thread1 = new Thread(){ public void run() { test.set(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); }; }; thread1.start(); thread1.join(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); } }
在main线程中，没有先set，直接get的话，运行时会报空指针异常。
但是如果改成下面这段代码，即重写了initialValue方法：
public class Test { ThreadLocal<Long> longLocal = new ThreadLocal<Long>(){ protected Long initialValue() { return Thread.currentThread().getId(); }; }; ThreadLocal<String> stringLocal = new ThreadLocal<String>(){; protected String initialValue() { return Thread.currentThread().getName(); }; }; public void set() { longLocal.set(Thread.currentThread().getId()); stringLocal.set(Thread.currentThread().getName()); } public long getLong() { return longLocal.get(); } public String getString() { return stringLocal.get(); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final Test test = new Test(); test.set(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); Thread thread1 = new Thread(){ public void run() { test.set(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); }; }; thread1.start(); thread1.join(); System.out.println(test.getLong()); System.out.println(test.getString()); } }
就可以直接不用先set而直接调用get了。
三.ThreadLocal的应用场景
最常见的ThreadLocal使用场景为 用来解决 数据库连接、Session管理等。
如：
private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() { public Connection initialValue() { return DriverManager.getConnection(DB_URL); } }; public static Connection getConnection() { return connectionHolder.get(); }
下面这段代码摘自：
http://www.iteye.com/topic/103804
private static final ThreadLocal threadSession = new ThreadLocal(); public static Session getSession() throws InfrastructureException { Session s = (Session) threadSession.get(); try { if (s == null) { s = getSessionFactory().openSession(); threadSession.set(s); } } catch (HibernateException ex) { throw new InfrastructureException(ex); } return s; }
四、内存泄漏
下图是本文介绍到的一些对象之间的引用关系图，实线表示强引用，虚线表示弱引用：
然后网上就传言，ThreadLocal会引发内存泄露，他们的理由是这样的：
如上图，ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用引用他，那么系统gc的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：
Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value
永远无法回收，造成内存泄露。
我们来看看到底会不会出现这种情况。
其实，在JDK的ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况，也加上了一些防护措施，下面是ThreadLocalMap的getEntry方法的源码：
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); Entry e = table[i]; if (e != null && e.get() == key) return e; else return getEntryAfterMiss(key, i, e); }
getEntryAfterMiss函数的源码：
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; while (e != null) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == key) return e; if (k == null) expungeStaleEntry(i); else i = nextIndex(i, len); e = tab[i]; } return null; }
expungeStaleEntry函数的源码：
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; // expunge entry at staleSlot tab[staleSlot].value = null; tab[staleSlot] = null; size--; // Rehash until we encounter null Entry e; int i; for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) { ThreadLocal<?> k = e.get(); if (k == null) { e.value = null; tab[i] = null; size--; } else { int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1); if (h != i) { tab[i] = null; // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until // null because multiple entries could have been stale. while (tab[h] != null) h = nextIndex(h, len); tab[h] = e; } } } return i; }
整理一下ThreadLocalMap的getEntry函数的流程：
首先从ThreadLocal的直接索引位置(通过ThreadLocal.threadLocalHashCode & (len-1)运算得到)获取Entry e，如果e不为null并且key相同则返回e；
如果e为null或者key不一致则向下一个位置查询，如果下一个位置的key和当前需要查询的key相等，则返回对应的Entry，否则，如果key值为null，则擦除该位置的Entry，否则继续向下一个位置查询。
在这个过程中遇到的key为null的Entry都会被擦除，那么Entry内的value也就没有强引用链，自然会被回收。仔细研究代码可以发现，set操作也有类似的思想，将key为null的这些Entry都删除，防止内存泄露。
但是光这样还是不够的，上面的设计思路依赖一个前提条件：要调用ThreadLocalMap的getEntry函数或者set函数。这当然是不可能任何情况都成立的，所以很多情况下需要使用者手动调用ThreadLocal的remove函数，手动删除不再需要的ThreadLocal，防止内存泄露。所以JDK建议将ThreadLocal变量定义成private static的，这样的话ThreadLocal的生命周期就更长，由于一直存在ThreadLocal的强引用，所以ThreadLocal也就不会被回收，也就能保证任何时候都能根据ThreadLocal的弱引用访问到Entry的value值，然后remove它，防止内存泄露。