并发编程之ThreadLocal源码分析
当访问共享的可变数据时，通常需要使用同步。一种避免同步的方式就是不共享数据，仅在单线程内部访问数据，就不需要同步。该技术称之为线程封闭。
当数据封装到线程内部，即使该数据不是线程安全的，也会实现自动线程安全性。
维持线程封闭性可以通过Ad-hoc线程封闭、栈封闭来实现，一种更加规范的方法是使用ThreadLocal类。ThreadLocal类提供线程局部变量，通过get、set等方法访问变量，为每个使用该变量的线程创建一个独立的副本。
一、ThreadLocal使用案例
案例中只开启了一个线程threadA，展示了在线程内部设置、获取、清除局部变量。
public class ThreadLocalTest {
// 初始化ThreadLocal变量
static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>();
static void print(String str) {
// 打印当前线程本地内存中的变量值
System.out.println(str + ": " + localVariable.get());
// 清除当前线程本地内存中的变量
localVariable.remove();
}
public static void main(String[] args) {
// 创建线程A
Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 设置线程A中的本地变量的值
localVariable.set("threadA localVariable");
print("threadA");
// 获取线程A中的本地变量的值
System.out.println("threadA remove after: " + localVariable.get());
}
});
// 启动线程
threadA.start();
}
}
运行结果：
threadA: threadA localVariable
threadA remove after: null案例二：线程唯一标识符生成器，为每个调用ThreadId.get()方法的线程创建id。
public class ThreadId {
// 下一个要被分配的线程id
private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);
// 线程局部变量
private static final ThreadLocal<Integer> threadId = new ThreadLocal<Integer>() {
@Override
protected Integer initialValue() {
return nextId.getAndIncrement();
}
};
// 返回当前线程唯一的id
public static int get() {
return threadId.get();
}
}二、ThreadLocal类的实现原理
在Thread类中有一个threadLocals成员变量，其类型是ThreadLocalMap，默认情况下为null。
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;当某线程首次调用ThreadLocal变量的get或set方法时，会进行对象创建。在线程退出时，当前线程的threadLocals变量被清空。
private void exit() {
...
threadLocals = null;
inheritableThreadLocals = null;
...
}每个线程的局部变量不是存放于ThreadLocal实例中，而是存放于线程的threadLocals变量，即线程内存空间中。threadLocals变量本质上是Map数据结构，可以存放多个ThreadLocal变量键值对。
【助解】ThreadLocal类可以看出一个外壳，线程中调用某ThreadLocal变量的set方法可以将变量值放入到该线程的threadLocals变量中，数据格式是<当前线程中该ThreadLocal变量的this引用，变量值>。当调用线程调用ThreadLocal变量的get方法时，从当前线程的threadLocals变量中取出key（引用）对应的value值。
1. ThreadLocal类核心方法--set()
将ThreadLocal变量的当前线程副本的值设置为指定value值。
public void set(T value) {
// 获取调用方法的当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取当前线程自身的threadLocals变量
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
// map不为空，则设置
map.set(this, value);
else
// map为空，说明第一次调用，初始化线程的threadLocals变量
createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}线程的threadLocals变量，即ThreadLocal.ThreadLocalMap，是HashMap结构，它的key是当前ThreadLocal的实例对象引用，value值是该ThreadLocal实例对象调用set方法设置的值。
2. ThreadLocal类核心方法--T get()
返回ThreadLocal变量在当前线程副本中的值。如果当前线程中没有该变量的值，返回值会被首次初始化为initialValue()方法的值。
public T get() {
// 获取当前线程以及其threadLocals变量
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 如果threadLocals变量不为空
if (map != null) {
// 根据当前ThreadLocal对象应用获取Entry，存在则直接返回value值
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
// threadLocals为空，初始化当前线程threadLocals变量
return setInitialValue();
}
// threadLocals存在，设置初始值；不存在，初始化threadLocals变量
private T setInitialValue() {
// 返回当前ThreadLocal变量的当前线程初始值
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
protected T initialValue() {
return null;
}3. ThreadLocal类核心方法--void remove()
当前线程threadLocals变量存在的话，删除当前线程的ThreadLocal实例对象。
public void remove() {
ThreadLocal.ThreadLocalMap var1 = this.getMap(Thread.currentThread());
if (var1 != null) {
var1.remove(this);
}
}三、ThreadLocal.ThreadLocalMap结构分析
ThreadLocal类图
ThreadLocal是一种存储变量与线程绑定的方式，在每个线程中用自己的ThreadLocalMap安全隔离变量，实现线程封闭。
ThreadLocalMap是ThreadLocal内的一个Map实现，没有实现任何接口，仅用于线程内部存储ThreadLocal变量值。
static class ThreadLocalMap { ... }
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
Object value; // ThreadLocal变量值
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}底层是Entry数组，Entry的key为ThreadLocal，value是线程的该ThreadLocal变量值。Entry内部类继承了WeakReference类。当entry.get()方法得到的ThreadLocal引用为空，表示该key不再被引用，此时Entry对象视为【过期】，在数组中删除。
ThreadLocalMap类的字段
private Entry[] table; // 表，必须为2的幂次方大小
private int size = 0; // 初始Entry数
private int threshold; // resize操作，元素个数阈值
// 负载因子固定为2/3
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}构造方法：
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
// 初始化大小为16的Entry数组
table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
// 取模对应数组索引
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
table[i] = new Entry(firstKey, firstValue); // 插入元素
size = 1; // 更新size
setThreshold(INITIAL_CAPACITY); // 设置resize阈值，此时为10
}1. ThreadLocalMap类之hashcode的计算
ThreadLocal变量与当前线程绑定，在HashMap中作为key，通过threadLocalHashCode值来查找。
// 自定义hashcode，可以用来解决同一线程连续构造ThreadLocal对象引起的冲突。
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode()
// 下一个hashCode值，原子更新，初始值为0
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
// 返回下一个hashcode
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
// 魔数：相邻两个hashcode之间的偏移
// 对2的幂次方大小的表，产生近似最优的hash值
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;2. ThreadLocalMap类之set()方法
设置ThreadLocal变量值。
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); // 计算索引位置
// 开放地址法
for (Entry e = tab[i];
e != null; // entry不为空
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get(); // 获取Entry的key--ThreadLocal
// 如果当前Entry的key与形参key相等，更新value值
if (k == key) {
e.value = value;
return;
}
// 如果当前Entry的key为空，说明已过期，做清理！
if (k == null) {
// 清理过期Entry，继续探索放置位置
replaceStaleEntry(key, value, i);
return;
}
}
// 若没有找到对应key，则在空位置创建Entry
tab[i] = new Entry(key, value);
int sz = ++size; // 更新size
// 清理一些过期的位置，判断是否需要扩容
if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
rehash();
}从set方法中，可以看出ThreadLocalMap中哈希冲突解决方法是开放地址法，而不是HashMap等采用链地址法。
前后索引位置--循环
private static int nextIndex(int i, int len) {
return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}
private static int prevIndex(int i, int len) {
return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}（1） replaceStaleEntry()方法
清理过期Entry，设置输入键值对。
// staleSlot：key == null的位置
private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
Entry e;
// 从前一个位置开始向前寻找过期Entry，直到entry不为空
// 不断向前移动清理位置
int slotToExpunge = staleSlot; // 清理元素的最开始位置
for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null; // entry不为空
i = prevIndex(i, len))
if (e.get() == null)
slotToExpunge = i;
// 从后一个位置向后探索
for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null; // entry不为空
i = nextIndex(i, len)) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
// 如果找到key，需要将它与过期位置元素做交换，来维持哈希表顺序。
if (k == key) {
e.value = value; // 更新value
tab[i] = tab[staleSlot]; // 元素交换
tab[staleSlot] = e;
// 如果相等，表示向前遍历时没有找到key为null的元素
// 前面语句进行了元素交换，此时位置i之前的元素均不需要清理
if (slotToExpunge == staleSlot)
slotToExpunge = i; // 更新清理开始位置
// 从slotToExpunge位置清理过期Entry(key == null)
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
return;
}
// 如果遍历中找到key为null的元素，并且向前没有找到key为null的位置
// 更新清理开始位置slotToExpunge为当前位置i
if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
slotToExpunge = i;
}
// 如果没找到key，新建Entry发在staleSlot位置
tab[staleSlot].value = null; // 清理动作
tab[staleSlot] = new Entry(key, value);
// 如果除了staleSlot位置，还有其他位置元素要清理(key == null的Entry)
if (slotToExpunge != staleSlot)
cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
}【注】slotToExpunge变量记录着元素清理的最开始位置。
（2）cleanSomeSlots方法
尝试扫描一些过期元素的位置，当添加新元素、清理其他过期元素时被调用。
从i位置开始扫描，i位置不是过期元素。而参数n用来限制扫描次数，如果过期Entry没有发现，可以扫描log(n)次，log(n)的设定出于性能的考虑。
private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
boolean removed = false;
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
do {
i = nextIndex(i, len); // 从下一个位置开始
Entry e = tab[i];
// 遍历到key==null的Entry
if (e != null && e.get() == null) {
n = len; // 重置n
removed = true; // 标志有清理元素
i = expungeStaleEntry(i); // 清理
}
} while ( (n >>>= 1) != 0); // log(n) 限制--对数次
return removed;
}（3）expungeStaleEntry(int staleSlot) 方法
作用：从staleSlot位置开始，清理key为null的Entry，直到entry为null的位置。过程中，遇到的entry不为空，并且entry.get()不为空的元素，进行rehash重新确定该元素位置。
private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 清理staleSlot位置的Entry对象
tab[staleSlot].value = null;
tab[staleSlot] = null;
size--;
// rehash直到entry为null
Entry e;
int i;
for (i = nextIndex(staleSlot, len);
(e = tab[i]) != null; // entry不为null
i = nextIndex(i, len)) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) { // 过期Entry，处理方式同staleSlot
e.value = null;
tab[i] = null;
size--;
} else {
// rehash计算出当前Entry索引
int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
if (h != i) { // 不相等，说明原位置是探测出的。
tab[i] = null; // 原位置对象置空
// 如果h索引位置不为null，向后探测，直到找到null位置
while (tab[h] != null)
h = nextIndex(h, len);
tab[h] = e;
}
}
}
return i; // i位置 (entry = tab[i]) == null
}3. ThreadLocalMap类之getEntry()方法
根据ThreadLocal获取对应Entry对象。
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
// 根据hashcode计算直接hash索引
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
// 如果是找到并且是有效Entry对象，直接返回
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else // 不是目标Entry
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
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) // 找到目标Entry
return e;
if (k == null) // 清理过期Entry
expungeStaleEntry(i);
else // 当前位置是有效Entry，索引右移
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null; // 找不到，返回null
}4. ThreadLocalMap类之remove()方法
移除ThreadLocal变量对应的Entry对象。
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
// 遍历找到指定key的Entry对象
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
if (e.get() == key) {
e.clear(); // 清理引用
expungeStaleEntry(i); // 清理过期Entry
return;
}
}
}5. ThreadLocalMap类之rehash()方法
private void rehash() {
// 清理table中所有过期Entry对象。
expungeStaleEntries();
// 如果元素个数超过阈值的3/4时，进行扩容
// 注：阈值本身是数组长度的2/3
if (size >= threshold - threshold / 4)
resize();
}
// 扩容至原容量的2倍
private void resize() {
Entry[] oldTab = table;
int oldLen = oldTab.length;
int newLen = oldLen * 2;
Entry[] newTab = new Entry[newLen];
int count = 0;
// 遍历老表，设置新表
for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
Entry e = oldTab[j];
if (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == null) { // 过期Entry，清空value
e.value = null; // 利于垃圾回收
} else {
// 计算索引
int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
// 如果直接hash索引位置不为空，继续向后探索
while (newTab[h] != null)
h = nextIndex(h, newLen);
newTab[h] = e;
count++;
}
}
}
setThreshold(newLen); // 更新阈值
size = count;
table = newTab;
}四、ThreadLocal内存泄漏问题
每个线程的ThreadLocal变量都存放在该线程的threadLocals变量中，如果当前线程一直不退出，这些ThreadLocal变量会一直存在，因此可能会导致内存泄漏。通过调用ThreadLocal类的remove方法避免这一问题。
参考博客的见解
ThreadLocalMap中采用ThreadLocal弱引用作为Entry的key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，下一次系统GC时，这个ThreadLocal必然会被回收，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry。
ThreadLocal类的set、get、remove方法都可能触发对key为null的Entry清理操作。expungeStaleEntry方法会清空Entry及其value，Entry会在下次GC被回收。
如果当前线程一直在运行，并且一直不执行get、set、remove方法，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreadLocalMap -> Entry -> value，导致这些key为null的Entry的value永远无法回收，造成内存泄漏。
参考资料：
- 《Java并发编程实战》
- 《Java并发编程之美》
- https://blog.csdn.net/v123411739/article/details/78698834
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