ThreadLocal原理及使用示例

简介：本文以一个简要的代码示例介绍ThreadLocal类的基本使用，在此基础上结合图片阐述它的内部工作原理，最后分析了ThreadLocal的内存泄露问题以及解决方法。

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1. ThreadLocal<T> 简介和使用示例

ThreadLocal只有一个无参的构造方法

public ThreadLocal()

ThreadLocal的相关方法

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

initialValue方法的访问修饰符是protected，该方法为第一次调用get方法提供一个初始值。默认情况下，第一次调用get方法返回值null。在使用时，我们一般会复写ThreadLocal的initialValue方法,使第一次调用get方法时返回一个我们设定的初始值。

下面是一个ThreadLocal的一个简单使用示例

package javalearning;
 
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
 
public class ThreadLocalDemo {
	/*定义了1个ThreadLocal<Integer>对象，
	 *并复写它的initialValue方法，初始值是3*/
	private ThreadLocal<Integer> tlA = new ThreadLocal<Integer>(){
		protected Integer initialValue(){
			return 3;
		}
	};
 
    /*
    private ThreadLocal<Integer> tlB = new ThreadLocal<Integer>(){
		protected Integer initialValue(){
			return 5;
		}
	};
	*/
 
	/*设置一个信号量，许可数为1，让三个线程顺序执行*/
	Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
 
	private Random rnd = new Random();
 
	/*Worker定义为内部类实现了Runnable接口,tlA定义在外部类中，
每个线程中调用这个对象的get方法，再调用一个set方法设置一个随机值*/
	public class Worker implements Runnable{
		@Override
		public void run(){
 
			try {
				Thread.sleep(rnd.nextInt(1000)); /*随机延时1s以内的时间*/
				semaphore.acquire();/*获取许可*/
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
 
			int valA = tlA.get();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" tlA initial val : "+ valA);
			valA = rnd.nextInt();
			tlA.set(valA);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" tlA  new     val: "+ valA);
 
			/*
			int valB = tlB.get();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" tlB initial val : "+ valB);
			valB = rnd.nextInt();
			tlA.set(valB);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" tlB 2    new val: "+ valB);
            */
 
			semaphore.release();
 
			/*在线程池中,当线程退出之前一定要记得调用remove方法，因为在线程池中的线程对象是循环使用的*/
			tlA.remove();
			/*tlB.remove();*/
		}
	}
 
	/*创建三个线程，每个线程都会对ThreadLocal对象tlA进行操作*/
	public static void main(String[] args){
		ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3);
		ThreadLocalDemo tld = new ThreadLocalDemo();
		es.execute(tld.new Worker());
		es.execute(tld.new Worker());
		es.execute(tld.new Worker());
		es.shutdown();
	}
}

运行结果

pool-1-thread-1 tlA initial val : 3
pool-1-thread-1 tlA  new     val: -1288455998
pool-1-thread-3 tlA initial val : 3
pool-1-thread-3 tlA  new     val: 112537197
pool-1-thread-2 tlA initial val : 3
pool-1-thread-2 tlA  new     val: -12271334

从运行结果可以看出，每个线程第一次调用TheadLocal对象的get方法时都得到初始值3，注意我们上面的代码是让三个线程顺序执行，显然从运行结果看，pool-1-thread-1线程结束后设置的新值，对pool-1-thread-3线程是没有影响的，pool-1-thread-3线程完成后设置的新值对pool-1-thread-2线程也没有影响。这就仿佛把ThreadLocal对象当做每个线程内部的对象一样，但实际上tlA对象是个外部类对象，内部类Worker访问到的是同一个tlA对象，也就是说是被各个线程共享的。这是如何做到的呢？我们现在就来看看ThreadLocal对象的内部原理。

2. ThreadLocal<T>的原理

首先，在Thread类中定义了一个threadLocals，它是ThreadLocal.ThreadLocalMap对象的引用,默认值是null。ThreadLocal.ThreadLocalMap对象表示了一个以开放地址形式的散列表。当我们在线程的run方法中第一次调用ThreadLocal对象的get方法时，会为当前线程创建一个ThreadLocalMap对象。也就是每个线程都各自有一张独立的散列表，以ThreadLocal对象作为散列表的key，set方法中的值作为value（第一次调用get方法时，以initialValue方法的返回值作为value）。显然我们可以定义多个ThreadLocal对象，而我们一般将ThreadLocal对象定义为static类型或者外部类中。上面所表达的意思就是，相同的key在不同的散列表中的值必然是独立的，每个线程都是在各自的散列表中执行操作。

TheadLocal中的get源代码

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);//这里的this是指当前的ThreadLocal对象
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

3. 由ThreadLocal造成的内存泄露和相应解决办法

ThreadLocalMap 中用内部静态类Entry表示了散列表中的每一个条目，下面是它的代码

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

可以看出Entry类继承了WeakRefrence类，所以一个条目就是一个弱引用类型的对象（要搞清楚，持有weakRefrence对象的引用是个强引用），那么这个weakRefrence对象保存了谁的弱引用呢？我们看到构造函数中有个supe(k)，k是ThreadLocal类型对象，super表示是调用父类的构造函数（父类是谁你要想清楚哦？），所以说一个entry对象中存储了ThreadLocal对象的弱引用和这个ThreadLocal对应的value对象的强引用。有关弱引用的相关内容请参考我的另一篇博客《Java中的四种引用以及ReferenceQueue和WeakHashMap的使用示例》。

我们现在假设一种情况，假设我们在线程的run方法中调用了一个方法，并在这个方法中创建了ThreadLocal对象，并使用了他，内存结构示意图如下。

当这个方法结束时，这个方法中创建的ThreadLocal对象本身（图中绿色区域）就被垃圾回收器回收了，但是线程还没有结束，所以ThreadLocalMap中还存在这个entry。由于entry中的key（即ThreadLocal对象）是弱引用类型，所以此时调用entry.get()方法时就会返回null，内部结构如下图所示。

从图中我们可以看到value对象（红色区域）始终不能被回收，而我们再也不会使用它了，这就造成了内存泄露。

那Entry中为什么保存的是key的弱引用呢？其实这是为了最大程度上减少内存泄露，副作用是同时减少哈希表中的冲突。当ThreadLocal对象被回收时，对应entry中的key就自动变成null（entry对象本身不为null）。若此后我们调用get,set或remove方法时，就会尝试删除key为null的entry，以释放value对象所占用的内存。

我们现在来看看get方法（上面有get方法的源代码）中调用的getEntry方法。

        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);
        }

从源代码中我们可以看出，有可能会调用getEntryAfterMiss方法，而在这个方法中，删除key为null的Entry对象。同理set方法也有类似的行为,而remove方法不仅仅删除掉参数ThreadLocal对象对应的entry，而且也会尝试删除其它key为null的entry。

        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;
        }

但是上述的方式并不能完全解决内存泄露问题，因为我们在这个方法结束的时候逻辑上不一定必须调用get方法，而get方法也不一定执行getEntryAfterMiss方法。所以类本身是没有这个能力的，我们只能在不再使用某个ThreadLocal对象后，手动调用remoev方法来删除它,各自线程中调用共享的ThreadLocal对象的remove方法，这对其它线程是没有影响的，这个应该不难理解。在线程池中这就操作是必须的，不仅仅是内存泄露的问题。因为线程池中的线程是重复使用的，意味着这个线程的ThreadLocalMap对象也是重复使用的，如果我们不手动调用remove方法，那么后面的线程就有可能获取到上个线程遗留下来的value值，造成bug。

4. 参考内容

[1]. Java并发编程：深入剖析ThreadLocal

[2]. [Java并发包学习七]解密ThreadLocal

[3]. 深入分析 ThreadLocal 内存泄漏问题