多线程:ThreadLocal原理

1、ThreadLocal内部结构

(1)ThreadLocal的设计

  在JDK8中ThreadLocal的设计是:每个Thread维护一个ThreadLocalMap,这个Map的key是ThreadLocal实例本身,value才是真正要存储的值object,具体的过程是这样的:

  • 每个Thread线程内部都有一个Map (ThreadLocalMap)
  • Map里面存储ThreadLocal对象(key )和线程的变量副本( value )
  • 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。
  • 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。

版本对比:

  • 每个Map存储的Entry的数量变少,可以减少hash冲突
  • 当Thread销毁的时候,ThreadLocalMap也会随之销毁,减少内存的使用

2、ThreadLocal的核心操作源码

(1)get方法

   * @return 返回当前线程对应此ThreadLocal的值
     */
    public T get() {
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null) {
            // 以当前的ThreadLocal 为 key,调用getEntry获取对应的存储实体e
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            // 找到对应的存储实体 e 
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                // 获取存储实体 e 对应的 value值
                // 即为我们想要的当前线程对应此ThreadLocal的值
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        // 如果map不存在,则证明此线程没有维护的ThreadLocalMap对象
        // 调用setInitialValue进行初始化
        return setInitialValue();
    }

    /**
     * set的变样实现,用于初始化值initialValue,
     * 用于代替防止用户重写set()方法
     *
     * @return the initial value 初始化后的值
     */
    private T setInitialValue() {
        // 调用initialValue获取初始化的值
        T value = initialValue();
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null)
            // 存在则调用map.set设置此实体entry
            map.set(this, value);
        else
            // 1)当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
            // 2)则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
            // 3)并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
            createMap(t, value);
        // 返回设置的值value
        return value;
    }

    /**
     * 获取当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     * 
     * @param  t the current thread 当前线程
     * @return the map 对应维护的ThreadLocalMap 
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }
    /**
     *创建当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     *
     * @param t 当前线程
     * @param firstValue 存放到map中第一个entry的值
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        //这里的this是调用此方法的threadLocal
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
  • 首先获取当前线程
  • 根据当前线程获取一个Map
  • 如果获取的Map不为空,则在Map中以ThreadLocal的引用作为key来在Map中获取对应的value e,否则转到E
  • 如果e不为null,则返回e.value,否则转到E
  • Map为空或者e为空,则通过initialValue函数获取初始值value,然后用ThreadLocal的引用和value作为firstKey和firstValue创建一个新的Map
  • 总结:先获取当前线程的 ThreadLocalMap 变量,如果存在则返回值,不存在则创建并返回初始值。

(2)set方法

 /**
     * 设置当前线程对应的ThreadLocal的值
     *
     * @param value 将要保存在当前线程对应的ThreadLocal的值
     */
    public void set(T value) {
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null)
            // 存在则调用map.set设置此实体entry
            map.set(this, value);
        else
            // 1)当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
            // 2)则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
            // 3)并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
            createMap(t, value);
    }
  • 首先获取当前线程,并根据当前线程获取一个Map
  • 如果获取的Map不为空,则将参数设置到Map中(当前ThreadLocal的引用作为key)
  • 如果Map为空,则给该线程创建 Map,并设置初始值

(3)remove方法

/**
     * 删除当前线程中保存的ThreadLocal对应的实体entry
     */
     public void remove() {
        // 获取当前线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
        // 如果此map存在
         if (m != null)
            // 存在则调用map.remove
            // 以当前ThreadLocal为key删除对应的实体entry
             m.remove(this);
     }
  •  首先获取当前线程,并根据当前线程获取一个Map
  •  如果获取的Map不为空,则移除当前ThreadLocal对象对应的entry

(4)intiialValue方法

  * @return 当前ThreadLocal的初始值
  */
protected T initialValue() {
    return null;
}
此方法的作用是 返回该线程局部变量的初始值。
  • 这个方法是一个延迟调用方法,从上面的代码我们得知,在set方法还未调用而先调用了get方法时才执行,并且仅执行1次。
  • 这个方法缺省实现直接返回一个``null``。
  • 如果想要一个除null之外的初始值,可以重写此方法。(备注: 该方法是一个``protected``的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的)

3、ThreadLocalMap源码分析

(1)基本结构

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(键值对)也是独立实现。

 (2)成员变量

/**
     * 初始容量 —— 必须是2的整次幂
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 存放数据的table,Entry类的定义在下面分析
     * 同样,数组长度必须是2的冥。
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * 数组里面entrys的个数,可以用于判断table当前使用量是否超过负因子。
     */
    private int size = 0;

    /**
     * 进行扩容的阈值,表使用量大于它的时候进行扩容。
     */
    private int threshold; // Default to 0
    
    /**
     * 阈值设置为长度的2/3
     */
    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

(3)存储结构entry

// 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
// 另外,Entry继承WeakReference,使用弱引用,可以将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑,持有对ThreadLocal的弱引用,可以
使得ThreadLocal在没有其他强引用的时候被回收掉,这样可以避免因为线程得不到销毁导致ThreadLocal对象无法被回收
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> { /** The value associated with this ThreadLocal. */ Object value; Entry(ThreadLocal k, Object v) { super(k); value = v; } }

4、内存泄漏问题

(1)强引用的情况

 只要线程不结束,这个entry就一直占着空间

(2)弱引用

 所以,内存泄漏与强弱引用无关

(3)出现内存泄露的真实原因

 总结:

相对第一种方式,第二种方式显然更不好控制,特别是使用线程池的时候,线程结束是不会销毁的。
也就是说,只要记得在使用完ThreadLocal及时的调用remove,无论key是强引用还是弱引用都不会有问题。那么为什么key要用弱引用呢?
事实上,在ThreadLocalMap中的set/getEntry方法中,会对key为null (也即是ThreadLocal为null))进行判断,如果为null的话,那么是会对value置为null的。
这就意味着使用完ThreadLocal , CurrentThread依然运行的前提下,就算忘记调用remove方法,弱引用比强引用可以多一层保障∶弱引用的ThreadLocal会被回收,对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove中的任一方法的时候会被清除,从而避免内存润漏。

5、hash冲突的解决

(1)ThreadLocal的set() 方法

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

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
  • 获取当前线程,并获取当前线程的ThreadLocalMap实例(从getMap(Thread t)中很容易看出来)。
  • 如果获取到的map实例不为空,调用map.set()方法,否则调用构造函数 ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue)实例化map。
  • 可以看出来线程中的ThreadLocalMap使用的是延迟初始化,在第一次调用get()或者set()方法的时候才会进行初始化。
(2)构造函数`ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue)
 ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        //初始化table
        table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY];
        //计算索引
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        //设置值
        table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
        size = 1;
        //设置阈值
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }
计算索引,`firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1)`。
关于`& (INITIAL_CAPACITY - 1)`,这是取模的一种方式,对于2的幂作为模数取模,用此代替`%(2^n)`,这也就是为啥容量必须为2的冥,在这个地方也得到了解答。
 private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
    private static AtomicInteger nextHashCode =  new AtomicInteger();
            
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
  这里定义了一个AtomicInteger类型,每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT,`HASH_INCREMENT = 0x61c88647`,这个值和`斐波那契散列`有关(这是一种乘数散列法,只不过这个乘数比较特殊,是32位整型上限2^32-1乘以黄金分割比例0.618....的值2654435769,用有符号整型表示就是-1640531527,去掉符号后16进制表示为0x61c88647),其主要目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组里, 也就是`Entry[] table`中,这样做可以尽量避免hash冲突。
(3)ThreadLocalMap中的set()
  ThreadLocalMap使用`开发地址-线性探测法`来解决哈希冲突,线性探测法的地址增量di = 1, 2, ... 其中,i为探测次数。该方法一次探测下一个地址,直到有空的地址后插入,若整个空间都找不到空余的地址,则产生溢出。假设当前table长度为16,也就是说如果计算出来key的hash值为14,如果table[14]上已经有值,并且其key与当前key不一致,那么就发生了hash冲突,这个时候将14加1得到15,取table[15]进行判断,这个时候如果还是冲突会回到0,取table[0],以此类推,直到可以插入。
按照上面的描述,`可以把table看成一个环形数组`。
先看一下线性探测相关的代码,从中也可以看出来table实际是一个环:
  /**
     * 获取环形数组的下一个索引
     */
    private static int nextIndex(int i, int len) {
        return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
    }

    /**
     * 获取环形数组的上一个索引
     */
    private static int prevIndex(int i, int len) {
        return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
    }
ThreadLocalMap的set()代码如下:
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        //计算索引,上面已经有说过。
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

        /**
         * 根据获取到的索引进行循环,如果当前索引上的table[i]不为空,在没有return的情况下,
         * 就使用nextIndex()获取下一个(上面提到到线性探测法)。
         */
        for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
             e != null;
             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            //table[i]上key不为空,并且和当前key相同,更新value
            if (k == key) {
                e.value = value;
                return;
            }
            /**
             * table[i]上的key为空,说明被回收了
             * 这个时候说明改table[i]可以重新使用,用新的key-value将其替换,并删除其他无效的entry
             */
            if (k == null) {
                replaceStaleEntry(key, value, i);
                return;
            }
        }
每个人都会有一段异常艰难的时光 。 生活的压力 , 工作的失意 , 学业的压力。 爱的惶惶不可终日。 挺过来的 ,人生就会豁然开朗。 挺不过来的 ,时间也会教你 ,怎么与它们握手言和 ,所以不必害怕的。 ——杨绛
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