源码|ThreadLocal的实现原理
ThreadLocal也叫“线程本地变量”、“线程局部变量”:
- 其作用域覆盖线程,而不是某个具体任务;
- 其“自然”的生命周期与线程的生命周期“相同”(但在JDK实现中比线程的生命周期更短,减少了内存泄漏的可能)。
ThreadLocal代表了一种线程与任务剥离的思想,从而达到线程封闭
的目的,帮助我们设计出更“健康”(简单,美观,易维护)的线程安全类。
一种假象
ThreadLocal的使用方法往往给我们造成一种假象——变量封装在任务对象内部。
根据使用方法推测实现思路
我们在使用ThreadLocal对象的时候,往往是在任务对象内部声明ThreadLocal变量,如:
ThreedLocal<List> onlineUserList = …;
这也是此处说“从概念上”可以视作如此的原因。那么从这种使用方法的角度出发(逆向思维),让我们自然而然的认为,ThreadLocal变量是存储在任务对象内部的,那么实现思路如下:
class ThreadLocal<T>{
private Map<Thread, T> valueMap = …;
public T get(Object key){
T realValue = valueMap.get(Thread.currentThread())
return realValue;
}
}
存在问题
但是这样实现存在一个问题:
- 线程死亡之后,任务对象可能仍然存在(这才是最普遍的情况),从而ThreadLocal对象仍然存在。我们不能要求线程在死亡之前主动删除其使用的ThreadLocal对象,所以valueMap中该线程对应的entry(<key, realValue>)无法回收;
问题的本质在于,这种实现“将线程相关的域封闭于任务对象,而不是线程中”。所以ThreadLocal的实现中最重要的一点就是——“将线程相关的域封闭在当前线程实例中”,虽然域仍然在任务对象中声明、set和get,却与任务对象无关。
源码分析
下面从源码中分析ThreadLocal的实现。
逆向追踪源码
首先观察看ThreadLocal类的源码,找到构造函数:
/**
* Creates a thread local variable.
* @see #withInitial(java.util.function.Supplier)
*/
public ThreadLocal() {
}
空的。
直接看set方法:
/**
* Sets the current thread's copy of this thread-local variable
* to the specified value. Most subclasses will have no need to
* override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
* method to set the values of thread-locals.
*
* @param value the value to be stored in the current thread's copy of
* this thread-local.
*/
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value); // 使用this引用作为key,既做到了变量相关,又满足key不可变的要求。
else
createMap(t, value);
}
设置value时,要根据当前线程t获取一个ThreadLocalMap类型的map,真正的value保存在这个map中。这验证了之前的一部分想法——ThreadLocal变量保存在一个“线程相关”的map
中。
进入getMap方法:
/**
* Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
* InheritableThreadLocal.
*
* @param t the current thread
* @return the map
*/
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
可以看到,该map实际上保存在一个Thread实例中,也就是之前传入的当前线程t。
观察Thread类的源码,确实存在着threadLocals变量的声明:
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
在这种实现中,ThreadLocal变量已经达到了文章开头的提出的基本要求:
- 其作用域覆盖线程,而不是某个具体任务
- 其“自然”的生命周期与线程的生命周期“相同”
如果是面试的话,一般分析到这里就可以结束了。
进阶
希望进一步深入,可以继续查看ThreadLocal.ThreadLocalMap类的源码:
/**
* ThreadLocalMap is a customized hash map suitable only for
* maintaining thread local values. No operations are exported
* outside of the ThreadLocal class. The class is package private to
* allow declaration of fields in class Thread. To help deal with
* very large and long-lived usages, the hash table entries use
* WeakReferences for keys. However, since reference queues are not
* used, stale entries are guaranteed to be removed only when
* the table starts running out of space.
*/
static class ThreadLocalMap {
/**
* The entries in this hash map extend WeakReference, using
* its main ref field as the key (which is always a
* ThreadLocal object). Note that null keys (i.e. entry.get()
* == null) mean that the key is no longer referenced, so the
* entry can be expunged from table. Such entries are referred to
* as "stale entries" in the code that follows.
*/
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k); // 使用了WeakReference中的key
value = v;
}
}
/**
* The initial capacity -- MUST be a power of two.
*/
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* The table, resized as necessary.
* table.length MUST always be a power of two.
*/
private Entry[] table;
/**
* The number of entries in the table.
*/
private int size = 0;
可以看到,虽然ThreadLocalMap没有实现Map接口,但也具有常见Map实现类的大部分属性(与HashMap不同,hash重复时在table里顺序遍历)。
重要的是Entry的实现。Entry继承了一个ThreadLocal泛型的WeakReference引用。
- ThreadLocal说明了Entry的类型,保存的是ThreadLocal变量。
- WeakReference是为了方便垃圾回收。
WeakReference与内存泄露
仍然存在的内存泄露
现在,我们已经很好的“将线程相关的域封闭在当前线程实例中”,如果线程死亡,线程中的ThreadLocalMap实例也将被回收。
看起来一切都那么美好,但我们忽略了一个很严重的问题——如果任务对象结束而线程实例仍然存在(常见于线程池的使用中,需要复用线程实例),那么仍然会发生内存泄露。我们可以建议广大Javaer手动remove声明过的ThreadLocal变量,但这种回归C++的语法是不能被Javaer接受的;另外,要求我猿记住声明过的变量,简直比约妹子吃饭还困难。
使用WeakReference减少内存泄露
对ThreadLocal源码的分析让我第一次了解到WeakReference的作用的使用方法。
对于弱引用WeakReference,当一个对象仅仅被弱引用指向, 而没有任何其他强引用StrongReference指向的时候, 如果GC运行, 那么这个对象就会被回收。
在ThreadLocal变量的使用过程中,由于只有任务对象拥有ThreadLocal变量的强引用(考虑最简单的情况),所以任务对象被回收后,就没有强引用指向ThreadLocal变量,ThreadLocal变量也就会被回收。
之所以这里说“减少内存泄露”,是因为单纯使用WeakReference仅仅解决了问题的前半部分。
进一步减少内存泄露
尽管现在使用了弱引用,ThreadLocalMap中仍然会发生内存泄漏。原因很简单,ThreadLocal变量只是Entry中的key,所以Entry中的key虽然被回收了,Entry本身却仍然被引用。
为了解决这后半部分问题,ThreadLocalMap在它的getEntry、set、remove、rehash等方法中都会主动清除ThreadLocalMap中key为null的Entry。
这样做已经可以大大减少内存泄露的可能,但如果我们声明ThreadLocal变量后,再也没有调用过上述方法,依然会发生内存泄露。不过,现实世界中线程池的容量总是有限的,所以这部分泄露的内存并不会无限增长;另一方面,一个大量线程长期空闲的线程池(这时内存泄露情况可能比较严重),也自然没有存在的必要,而一旦使用了线程,泄露的内存就能够被回收。因此,我们通常认为这种内存泄露是可以“忍受”的。
同时应该注意到,这里将ThreadLocal对象“自然”的生命周期“收紧”了一些,从而比线程的生命周期更短。
其他内存泄露情况
还有一种较通用的内存泄露情况:使用static关键字声明变量。
使用static关键字延长了变量的生命周期,可能导致内存泄露。对于ThreadLocal变量也是如此。
更多内存泄露的分析可参见ThreadLocal 内存泄露的实例分析,这里不再展开。
参考:
本文链接:源码|ThreadLocal的实现原理
作者:猴子007
出处:https://monkeysayhi.github.io
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