【原理】Java的ThreadLocal实现原理浅读

当前线程的值传递，ThreadLocal

通过ThreadLocal设值，在线程内可获取，即时获取值时在其它Class或其它Method。

public class BasicUsage {
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>();
    public static void main(String[] args) {
        threadLocal.set(1);
        otherMethod();
    }
    public static void otherMethod() {
        System.out.println("threadLocal.get() -> " + threadLocal.get()); // 其它Class、其它方法，只要在此线程内就可获取
    }
}

结果：threadLocal.get() -> 1

如何设置值

这是设置值的方法，关键在于我们将值存放于ThreadLocalMap中

    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread(); // 获取当前线程
        ThreadLocalMap map = getMap(t); // 获取ThreadLocalMap
        if (map != null)
            map.set(this, value); // 将值设置进ThreadLocalMap中
        else
            createMap(t, value); // 创建ThreadLocalMap
    }

跟踪进去getMap(t)，可知ThreadLocalMap是声明在Thread中的threadLocals变量中

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

跟踪进去createMap(t, value)，可以看到实例化ThreadLocalMap的代码，我们留意到第一个参数是this，也就是ThreadLocal对象，下文会有提到：

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

跟踪进ThreadLocalMap的构造方法，可以发现它内部维护一个Entry数组，构造方法的代码基本围绕将这个值应存放于数组的哪个下标。这里请注意下实例化Entry的参数，继续跟踪Entry：

        ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
            table = new Entry[INITIAL_CAPACITY]; // 初始化初始长度的Entry数组
            int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1); // 与数组长度做与运算，得到存放的下标
            table[i] = new Entry(firstKey, firstValue); // 实例化一个Entry对象
            size = 1; // 记录当前的大小
            setThreshold(INITIAL_CAPACITY); // 设置阀值，未以后扩容作计算依据
        }

跟踪进Entry的构造方法，发现Entry继承WeakReference，以ThreadLocal作为Key，自己存储value：

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

整体结构

值保持在Thread中的变量threadLocals，此变量类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap，可以看到，是ThreadLocal的内部类
ThreadLocal.ThreadLocalMap内部维护一个数组变量Entry[] table，这个数组类型是Entry
Entry类型继承WeakReference<ThreadLocal<?>>，Entry会维护两个属性，分别是键和值，其中值由其自身维护，见Object value；键由WeakReference维护，可知如果不存在引用指向键，键对象可能被GC回收
数据以Entry的格式存储在ThreadLocal.ThreadLocalMap的变量Entry[] table中，其中位置这么计算int i = key.threadLocalHashCode & (len-1)

父线程、子线程中的值传递

JDK的InheritableThreadLocal

使用ThreadLocal中如果使用多线程，会发现父线程设置的值在子线程中无法获取，JDK中有InheritableThreadLocal解决此问题。

public class SubThreadUsage {
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new InheritableThreadLocal<Integer>();
    public static void main(String[] args) {
        threadLocal.set(1);
        // 新启一个线程
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                otherMethod();
            }
        }).start();
    }
    public static void otherMethod() {
        System.out.println("threadLocal.get() -> " + threadLocal.get());
    }
}

结果：threadLocal.get() -> 1

原理简述：

看InheritableThreadLocal，会发现其继承ThreadLocal<T>，并且数据存放在Thread的变量inheritableThreadLocals中，变量类型是ThreadLocal.ThreadLocalMap
在Thread构造方法调用的init()中，可看见如果parent.inheritableThreadLocals不为空，则ThreadLocal.createInheritedMap()拷贝ThreadLocalMap，拷贝实际调用的是构造方法ThreadLocalMap(ThreadLocalMap)，为浅拷贝

所以，如果运用线程池等线程复用技术，传递的数据会有遗留：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class SubThreadReuseThreadUsage {
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new InheritableThreadLocal<Integer>();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        threadLocal.set(1);
        /* 声明多线程组件 */
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Runnable runnableA = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                otherMethodA();
            }
        };
        Runnable runnableB = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                otherMethodB();
            }
        };
        // 运行一个线程
        executorService.execute(runnableA);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1); // 睡眠，让上面线程跑完
        /* 运行一个线程 */
        executorService.execute(runnableB);
    }
    public static void otherMethodA() {
        System.out.println("threadLocal.get() -> " + threadLocal.get());
        threadLocal.set(2);
    }
    public static void otherMethodB() {
        System.out.println("threadLocal.get() -> " + threadLocal.get());
    }
}

结果：

threadLocal.get() -> 1
threadLocal.get() -> 2

TransmittableThreadLocal

而线程复用技术因减低线程开销而常用，所以需解决此问题，阿里开源的TransmittableThreadLocal是一个方案，其实现加强了InheritableThreadLocal。

用TransmittableThreadLocal、TtlRunnable的简单例子：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import com.alibaba.ttl.TransmittableThreadLocal;
import com.alibaba.ttl.TtlRunnable;
public class SubThreadReuseThreadUsage {
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new TransmittableThreadLocal<Integer>();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        threadLocal.set(1);
        /* 声明多线程组件 */
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Runnable runnableA = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                otherMethodA();
            }
        };
        Runnable runnableB = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                otherMethodB();
            }
        };
        TtlRunnable ttlRunnableA = TtlRunnable.get(runnableA);
        TtlRunnable ttlRunnableB = TtlRunnable.get(runnableB);
        // 运行一个线程
        executorService.execute(ttlRunnableA);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1); // 睡眠，让上面线程跑完
        /* 运行一个线程 */
        executorService.execute(ttlRunnableB);
    }
    public static void otherMethodA() {
        System.out.println("threadLocal.get() -> " + threadLocal.get());
        threadLocal.set(2);
    }
    public static void otherMethodB() {
        System.out.println("threadLocal.get() -> " + threadLocal.get());
    }
}

结果：

threadLocal.get() -> 1
threadLocal.get() -> 1

这里通过使用TtlRunnable和TtlCallable完成，还可以通过使用TtlExecutors完成，另外还有无侵入方案Java Agent，详情见此。