【Java源码解析】ThreadLocal

简介

线程本地变量，用于同一线程之间的传递。每一个线程对象都保存在两个ThreadLocalMap，threadLocals和inheritableThreadLocals，后者会继承父线程的本地变量，以ThreadLocal对象为key，取得map里的值。

源码

属性和构造方法

     // 哈希值
     private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
 
     private static AtomicInteger nextHashCode =
         new AtomicInteger();
 
     private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
 
     private static int nextHashCode() {
         return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
     }
 
     protected T initialValue() { // 初始值为空
         return null;
     }
 
     public static <S> ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supplier) { // 函数式编程，返回一个ThreadLocal对象
         return new SuppliedThreadLocal<>(supplier);
     }
 
     public ThreadLocal() { // 构造方法
     }

SuppliedThreadLocal

     static final class SuppliedThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
 
         private final Supplier<? extends T> supplier;
 
         SuppliedThreadLocal(Supplier<? extends T> supplier) {
             this.supplier = Objects.requireNonNull(supplier);
         }
 
         @Override
         protected T initialValue() {
             return supplier.get();
         }
     }

基本方法

get()

     public T get() {
         Thread t = Thread.currentThread(); // 获取当前线程
         ThreadLocalMap map = getMap(t); // 根据当前线程获取ThreadLocalMap, Thread#threadLocals，子类可重写getMap()方法，比如InheritableThreadLocal, 返回的就是Thread#inheritableThreadLocals
         if (map != null) {
             ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); // 以当前ThreadLocal对象为key, 取得value(ThreadLocalMap.Entry)
             if (e != null) {
                 @SuppressWarnings("unchecked")
                 T result = (T)e.value; // 返回结果
                 return result;
             }
         }
         return setInitialValue(); // 如果map为空，执行初始化
     }

getMap()

     ThreadLocalMap getMap(Thread t) { // 获得map
         return t.threadLocals;
     }

setInitialValue()

     private T setInitialValue() { // 设置初始值
         T value = initialValue(); // 取得初始值
         Thread t = Thread.currentThread(); // 当前线程
         ThreadLocalMap map = getMap(t);  // 获取map
         if (map != null) // 不为空，设置value, key为当前对象
             map.set(this, value);
         else
             createMap(t, value); // 否则，创建map
         return value;
     }

set()

     public void set(T value) { // 设置值，逻辑同setInitialValue()
         Thread t = Thread.currentThread();
         ThreadLocalMap map = getMap(t);
         if (map != null)
             map.set(this, value);
         else
             createMap(t, value);
     }

remove()

      public void remove() { // 移除
          ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
          if (m != null)
              m.remove(this);
      }

创建map(ThreadLocalMap)

     void createMap(Thread t, T firstValue) { // 创建map(ThreadLocalMap)
         t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
     }
 
     static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) { // 继承map值
         return new ThreadLocalMap(parentMap);
     }

ThreadLocalMap

属性

         static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { // 弱引用
             Object value;
 
             Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                 super(k);
                 value = v;
             }
         }
 
         private static final int INITIAL_CAPACITY = 16; // 初始容量
 
         private Entry[] table; // 数组
 
         private int size = 0; // 大小
 
         private int threshold; // 阈值，长度的2/3
 
         private void setThreshold(int len) { // 设置阈值
             threshold = len * 2 / 3;
         }
 
         private static int nextIndex(int i, int len) { // 下一个索引
             return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0); // 长度范围内，加1; 超过范围，0
         }
 
         private static int prevIndex(int i, int len) { // 前一个索引
             return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1); // 长度范围内，减1; 超过范围，len - 1
         }

构造方法

         ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) { // 构造方法
             table = new Entry[INITIAL_CAPACITY]; // 初始化数组，初始容量为16
             int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1); // firstKey的索引
             table[i] = new Entry(firstKey, firstValue); // 构造Entry(firstKey->firstValue)对象，并置于i索引处
             size = 1; // 当前大小为1
             setThreshold(INITIAL_CAPACITY); // 设置阈值
         }
 
         private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) { // 以父ThreadLocalMap构造ThreadLocalMap
             Entry[] parentTable = parentMap.table; // 取得parentMap的table
             int len = parentTable.length; // 取得table长度
             setThreshold(len); // 设置阈值
             table = new Entry[len]; // 创建数组table
 
             for (int j = 0; j < len; j++) {
                 Entry e = parentTable[j];
                 if (e != null) {
                     @SuppressWarnings("unchecked")
                     ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get(); // 取得key
                     if (key != null) {
                         Object value = key.childValue(e.value); // 计算子线程的value
                         Entry c = new Entry(key, value); // 构建Entry对象
                         int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1); // 计算索引
                         while (table[h] != null) // 如果索引不为空，则计算下一个索引，直到找到空位
                             h = nextIndex(h, len); // 寻找下一个索引，(hash碰撞时，没有使用链表，而是寻找下一个索引)
                         table[h] = c;
                         size++; // 长度加1
                     }
                 }
             }
         }

基本方法

getEntry()

         private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { // 获取entry
             int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); // 计算索引
             Entry e = table[i]; // 取得entry
             if (e != null && e.get() == key) // 找到返回
                 return e;
             else
                 return getEntryAfterMiss(key, i, e); // 否则调用getEntryAfterMiss方法
         }

getEntryAfterMiss()

         private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) { // 处理碰撞的情况
             Entry[] tab = table;
             int len = tab.length;
 
             while (e != null) { // 若e为空，直接返回null, 否则遍历table
                 ThreadLocal<?> k = e.get(); // 获得key
                 if (k == key) // 若相等，则找到返回
                     return e;
                 if (k == null)
                     expungeStaleEntry(i); // 删除过期的Entry对象
                 else
                     i = nextIndex(i, len); // 计算下一个索引，继续寻找
                 e = tab[i];
             }
             return null;
         }

expungeStaleEntry()

         private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
             Entry[] tab = table;
             int len = tab.length;
 
             tab[staleSlot].value = null; // value置为空
             tab[staleSlot] = null; // 槽位置为空
             size--; // size减1
 
             Entry e;
             int i;
             for (i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) { // 以staleSlot起始，索引与之碰撞的所有槽位，尝试清除无效的元素
                 ThreadLocal<?> k = e.get(); // key
                 if (k == null) { // 过期，清理
                     e.value = null;
                     tab[i] = null;
                     size--;
                 } else {
                     int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1); // 重新归置元素
                     if (h != i) {
                         tab[i] = null; // 原来的槽位清空
                         while (tab[h] != null) // 以h为始，找空位
                             h = nextIndex(h, len);
                         tab[h] = e; // 设置元素
                     }
                 }
             }
             return i;
         }

set()

         private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
             Entry[] tab = table;
             int len = tab.length;
             int i = key.threadLocalHashCode & (len - 1); // 计算索引
             for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                 ThreadLocal<?> k = e.get();
                 if (k == key) { // 命中，更新value, 返回
                     e.value = value;
                     return;
                 }
                 if (k == null) { // 替换过期的槽位
                     replaceStaleEntry(key, value, i);
                     return;
                 }
             }
             tab[i] = new Entry(key, value); // 找到空位，新建Entry对象
             int sz = ++size; // size加1
             if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) // 清理槽位失败，并且当前size大于阈值，调用rehash方法
                 rehash();
         }

replaceStaleEntry()

         private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value, int staleSlot) {
             Entry[] tab = table;
             int len = tab.length;
             Entry e;
 
             int slotToExpunge = staleSlot;
             for (int i = prevIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = prevIndex(i, len)) // 从当前staleSlot往前找
                 if (e.get() == null)
                     slotToExpunge = i; // 过期槽位起始处，接下来从slotToExpunge清理过期槽位
 
             for (int i = nextIndex(staleSlot, len); (e = tab[i]) != null; i = nextIndex(i, len)) { // 从当前staleSlot往后找
                 ThreadLocal<?> k = e.get();
                 if (k == key) { // 命中，替换
                     e.value = value; // 替换value
                     tab[i] = tab[staleSlot]; // 交换i和staleSlot的元素，i槽位处等待被清理
                     tab[staleSlot] = e;
                     if (slotToExpunge == staleSlot) // 在staleSlot槽位之前没有过期的槽位，将slotToExpunge设置为i(staleSlot之后的槽位，因为staleSlot已经设置了有效的元素)
                         slotToExpunge = i;
                     cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len); // 清理工作
                     return;
                 }
                 if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
                     slotToExpunge = i; // 在staleSlot槽位之前没有过期的槽位，将slotToExpunge设置为i(staleSlot之后的槽位，因为staleSlot后面会设置有效的元素)
             }
             tab[staleSlot].value = null; // 置空
             tab[staleSlot] = new Entry(key, value); // 设置新的值
             if (slotToExpunge != staleSlot) // 如果有过期元素，做清理工作
                 cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
         }

cleanSomeSlots()

         private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
             boolean removed = false;
             Entry[] tab = table;
             int len = tab.length;
             do {
                 i = nextIndex(i, len);
                 Entry e = tab[i];
                 if (e != null && e.get() == null) { // 找到过期元素，执行清理操作
                     n = len;
                     removed = true;
                     i = expungeStaleEntry(i); // 具体操作还是由expungeStaleEntry完成
                 }
             } while ((n >>>= 1) != 0);
             return removed;
         }

rehash()

         private void rehash() {
             expungeStaleEntries(); // 清理过期的元素
             if (size >= threshold - threshold / 4)
                 resize(); // 扩容
         }

expungeStaleEntries()

         private void expungeStaleEntries() {
             Entry[] tab = table;
             int len = tab.length;
             for (int j = 0; j < len; j++) { // 从槽位0处，尝试清理过期的条目
                 Entry e = tab[j];
                 if (e != null && e.get() == null)
                     expungeStaleEntry(j); // 调用expungeStaleEntry方法
             }
         }

resize()

         private void resize() { // 扩容
             Entry[] oldTab = table;
             int oldLen = oldTab.length;
             int newLen = oldLen * 2; // 2倍
             Entry[] newTab = new Entry[newLen]; // 新数组
             int count = 0;
             for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
                 Entry e = oldTab[j];
                 if (e != null) {
                     ThreadLocal<?> k = e.get();
                     if (k == null) {
                         e.value = null; // 帮助GC
                     } else {
                         int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1); // rehash
                         while (newTab[h] != null) // 碰撞，计算下一个索引(槽位)
                             h = nextIndex(h, newLen);
                         newTab[h] = e;
                         count++;
                     }
                 }
             }
 
             setThreshold(newLen); // 设置新的阈值
             size = count;
             table = newTab;
         }

remove()

         private void remove(ThreadLocal<?> key) {
             Entry[] tab = table;
             int len = tab.length;
             int i = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
             for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                 if (e.get() == key) {
                     e.clear(); // 移除
                     expungeStaleEntry(i); // 并清理过期槽位
                     return;
                 }
             }
         }

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