Java多线程之深入解析ThreadLocal和ThreadLocalMap

ThreadLocal概述

ThreadLocal是线程变量，ThreadLocal中填充的变量属于当前线程，该变量对其他线程而言是隔离的。ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，那么每个线程可以访问自己内部的副本变量。

它具有3个特性：

1. 线程并发：在多线程并发场景下使用。
2. 传递数据：可以通过ThreadLocal在同一线程，不同组件中传递公共变量。
3. 线程隔离：每个线程变量都是独立的，不会相互影响。

在不使用ThreadLocal的情况下，变量不隔离，得到的结果具有随机性。

public class Demo {
    private String variable;

    public String getVariable() {
        return variable;
    }

    public void setVariable(String variable) {
        this.variable = variable;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(()->{
                demo.setVariable(Thread.currentThread().getName());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+demo.getVariable());
            }).start();
        }
    }
}

输出结果：

Thread-2 Thread-2
Thread-4 Thread-4
Thread-1 Thread-2
Thread-0 Thread-2
Thread-3 Thread-3

在不使用ThreadLocal的情况下，变量隔离，每个线程有自己专属的本地变量variable，线程绑定了自己的variable，只对自己绑定的变量进行读写操作。

public class Demo {
    private ThreadLocal<String> variable = new ThreadLocal<>();

    public String getVariable() {
        return variable.get();
    }

    public void setVariable(String variable) {
        this.variable.set(variable);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(()->{
                demo.setVariable(Thread.currentThread().getName());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+demo.getVariable());
            }).start();
        }
    }
}

输出结果：

Thread-0 Thread-0
Thread-1 Thread-1
Thread-2 Thread-2
Thread-3 Thread-3
Thread-4 Thread-4

synchronized和ThreadLocal的比较

上述需求，通过synchronized加锁同样也能实现。但是加锁对性能和并发性有一定的影响，线程访问变量只能排队等候依次操作。TreadLocal不加锁，多个线程可以并发对变量进行操作。

public class Demo {
    private String variable;
    public String getVariable() {
        return variable;
    }

    public void setVariable(String variable) {
        this.variable = variable;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo1();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(()->{
                synchronized (Demo.class){
                    demo.setVariable(Thread.currentThread().getName());
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+demo.getVariable());
                }
            }).start();
        }
    }
}

ThreadLocal和synchronized都是用于处理多线程并发访问资源的问题。ThreadLocal是以空间换时间的思路，每个线程都拥有一份变量的拷贝，从而实现变量隔离，互相不干扰。关注的重点是线程之间数据的相互隔离关系。synchronized是以时间换空间的思路，只提供一个变量，线程只能通过排队访问。关注的是线程之间访问资源的同步性。ThreadLocal可以带来更好的并发性，在多线程、高并发的环境中更为合适一些。

ThreadLocal使用场景

转账事务的例子

JDBC对于事务原子性的控制可以通过setAutoCommit(false)设置为事务手动提交，成功后commit，失败后rollback。在多线程的场景下，在service层开启事务时用的connection和在dao层访问数据库的connection应该要保持一致，所以并发时，线程只能隔离操作自已的connection。

解决方案1：service层的connection对象作为参数传递给dao层使用，事务操作放在同步代码块中。

存在问题：传参提高了代码的耦合程度，加锁降低了程序的性能。

解决方案2：当需要获取connection对象的时候，通过ThreadLocal对象的get方法直接获取当前线程绑定的连接对象使用，如果连接对象是空的，则去连接池获取连接，并通过ThreadLocal对象的set方法绑定到当前线程。使用完之后调用ThreadLocal对象的remove方法解绑连接对象。

ThreadLocal的优势：

1. 可以方便地传递数据：保存每个线程绑定的数据，需要的时候可以直接获取，避免了传参带来的耦合。
2. 可以保持线程间隔离：数据的隔离在并发的情况下也能保持一致性，避免了同步的性能损失。

ThreadLocal的原理

每个ThreadLocal维护一个ThreadLocalMap，Map的Key是ThreadLocal实例本身，value是要存储的值。

每个线程内部都有一个ThreadLocalMap，Map里面存放的是ThreadLocal对象和线程的变量副本。Thread内部的Map通过ThreadLocal对象来维护，向map获取和设置变量副本的值。不同的线程，每次获取变量值时，只能获取自己对象的副本的值。实现了线程之间的数据隔离。

JDK1.8的设计相比于之前的设计（通过ThreadMap维护了多个线程和线程变量的对应关系，key是Thread对象，value是线程变量）的好处在于，每个Map存储的Entry数量变少了，线程越多键值对越多。现在的键值对的数量是由ThreadLocal的数量决定的，一般情况下ThreadLocal的数量少于线程的数量，而且并不是每个线程都需要创建ThreadLocal变量。当Thread销毁时，ThreadLocal也会随之销毁，减少了内存的使用，之前的方案中线程销毁后，ThreadLocalMap仍然存在。

ThreadLocal源码解析

set方法

首先获取线程，然后获取线程的Map。如果Map不为空则将当前ThreadLocal的引用作为key设置到Map中。如果Map为空，则创建一个Map并设置初始值。

get方法

首先获取当前线程，然后获取Map。如果Map不为空，则Map根据ThreadLocal的引用来获取Entry，如果Entry不为空，则获取到value值，返回。如果Map为空或者Entry为空，则初始化并获取初始值value，然后用ThreadLocal引用和value作为key和value创建一个新的Map。

remove方法

删除当前线程中保存的ThreadLocal对应的实体entry。

initialValue方法

该方法的第一次调用发生在当线程通过get方法访问线程的ThreadLocal值时。除非线程先调用了set方法，在这种情况下，initialValue才不会被这个线程调用。每个线程最多调用依次这个方法。

该方法只返回一个null，如果想要线程变量有初始值需要通过子类继承ThreadLocal的方式去重写此方法，通常可以通过匿名内部类的方式实现。这个方法是protected修饰的，是为了让子类覆盖而设计的。

ThreadLocalMap源码分析

ThreadLocalMap是ThreadLocal的静态内部类，没有实现Map接口，独立实现了Map的功能，内部的Entry也是独立实现的。

与HashMap类似，初始容量默认是16，初始容量必须是2的整数幂。通过Entry类的数据table存放数据。size是存放的数量，threshold是扩容阈值。

Entry继承自WeakReference，key是弱引用，其目的是将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑。

弱引用和内存泄漏

内存溢出：没有足够的内存供申请者提供

内存泄漏：程序中已动态分配的堆内存由于某种原因程序未释放或无法释放，造成系统内存的浪费，导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等验证后沟。内存泄漏的堆积会导致内存溢出。

弱引用：垃圾回收器一旦发现了弱引用的对象，不管内存是否足够，都会回收它的内存。

内存泄漏的根源是ThreadLocalMap和Thread的生命周期是一样长的。

如果在ThreadLocalMap的key使用强引用还是无法完全避免内存泄漏，ThreadLocal使用完后，ThreadLocal Reference被回收，但是Map的Entry强引用了ThreadLocal，ThreadLocal就无法被回收，因为强引用链的存在，Entry无法被回收，最后会内存泄漏。

在实际情况中，ThreadLocalMap中使用的key为ThreadLocal的弱引用，value是强引用。如果ThreadLocal没有被外部强引用的话，在垃圾回收的时候，key会被清理，value不会。这样ThreadLocalMap就出现了为null的Entry。如果不做任何措施，value永远不会被GC回收，就会产生内存泄漏。

ThreadLocalMap中考虑到这个情况，在set、get、remove操作后，会清理掉key为null的记录（将value也置为null）。使用完ThreadLocal后最后手动调用remove方法（删除Entry）。

也就是说，使用完ThreadLocal后，线程仍然运行，如果忘记调用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会在下一次ThreadLocalMap调用get、set、remove方法的时候被清除，从而避免了内存泄漏。

Hash冲突的解决

ThreadLocalMap的构造方法

构造函数创建一个长队为16的Entry数组，然后计算firstKey的索引，存储到table中，设置size和threshold。

firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY-1)用来计算索引，nextHashCode是Atomicinteger类型的，Atomicinteger类是提供原子操作的Integer类，通过线程安全的方式来加减，适合高并发使用。

每次在当前值上加上一个HASH_INCREMENT值，这个值和斐波拉契数列有关，主要目的是为了让哈希码可以均匀的分布在2的n次方的数组里，从而尽量的避免冲突。

当size为2的幂次的时候，hashCode & (size - 1)相当于取模运算hashCode % size，位运算比取模更高效一些。为了使用这种取模运算， 所有size必须是2的幂次。这样一来，在保证索引不越界的情况下，减少冲突的次数。

ThreadLocalMap的set方法

ThreadLocalMao使用了线性探测法来解决冲突。线性探测法探测下一个地址，直到空的地址，插入，若整个空间都没有空余地址，则产生溢出。例如：长度为8的数组中，当前key的hash值是6，6的位置已经被占用了，则hash值加一，寻找7的位置，7的位置也被占用了，回到0的位置。直到可以插入为止，可以将这个数组看成一个环形数组。