基于ThreadLocal常用方法、使用场景及注意事项说明

1. ThreadLocal详解

JDK1.2版本起,Java就提供了java.lang.ThreadLocal,ThreadLocal为每个使用线程都提供独立的变量副本,可以做到线程间的数据隔离,每个线程都可以访问各自内部的副本变量。

线程上下文ThreadLocal又称为"线程保险箱",ThreadLocal能够将指定的变量和当前线程进行绑定,线程之间彼此隔离,持有不同的对象实例,从而避免了数据资源的竞争。

2. ThreadLocal的使用场景

  • 在进行对象跨层传递的时候,可以考虑ThreadLocal,避免方法多次传递,打破层次间的约束。
  • 线程间数据隔离。
  • 进行事务操作,用于储存线程事务信息。

注意:

ThreadLocal并不是解决多线程下共享资源的一种技术,一般情况下,每一个线程的ThreadLocal存储的都是一个全新的对象(通过new关键字创建),如果多线程的ThreadLocal存储了一个对象引用,那么就会面临资源竞争,数据不一致等并发问题。

3.常用方法源码解析

3.1 initialValue方法

 protected T initialValue() {
        return null;
 }

此方法为ThreadLocal保存的数据类型指定的一个初始化值,在ThreadLocal中默认返回null。但可以重写initialValue()方法进行数据初始化。

如果使用的是Java8提供的Supplier函数接口更加简化:

// withInitial()实际是创建了一个ThreadLocal的子类SuppliedThreadLocal,重写initialValue()
ThreadLocal threadLocal = ThreadLocal.withInitial(Object::new); 
  
 

3.2 set(T value)方法

主要存储指定数据。

public void set(T value) {
    // 获取当前线程Thread.currentThread() 
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 根据当前线程获取与之关联的ThreadLocalMap数据结构
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        // 核心方法。set 遍历整个Entry的过程,后面有详解
        map.set(this, value);
    else {
        // 调用createMap(),创建ThreadLocalMap,key为当前ThreadLocal实例,存入数据为当前value。
        // ThreadLocal会创建一个默认长度为16Entry节点,并将k-v放入i位置(i位置计算方式和hashmap相似,
        // 当前线程的hashCode&(entry默认长度-1)),并设置阈值(默认为0)为Entry默认长度的2/3。
        createMap(t, value);
    }
}
// set 遍历整个Entry的过程
private void set(ThreadLocal key, Object value) {
    // 获取所有的Entry
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 根据ThreadLocal对象,计算角标位置
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
 // 循环查找
    for (Entry e = tab[i];e != null;e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal k = e.get();
  // 找到相同的就直接覆盖,直接返回。
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
  // 如果ThreadLocal为null,直接驱出并使用新数据(Value)占居原来位置,
  // 这个过程主要是防止内存泄漏。
        if (k == null) {
            // 驱除ThreadLocal为null的Entry,并放入Value,这也是内存泄漏的重点地区
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }
 // entry都为null,创建新的entry,已ThreadLocal为key,将存放数据为Value。
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    // ThreadLoaclMapde的当前数据元素的个数和阈值比较,再次进行key为null的清理工作。
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        // 整理Entry,当Entry中的ThreadLocal对象为null时,通过重新计算角标位来清理
        // 以前ThreadLocal。如果Entry数量大于3/4容量进行扩容
        rehash();
}

3.3 get方法

get()用于返回当前线程ThreadLocal中数据备份,当前线程的数据都存在一个ThreadLocalMap的数据结构中。

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获得ThreadLocalMap对象map,ThreadLocalMap是和当前Thread关联的,
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // 存入ThreadLocal中的数据实际上是存储在ThreadLocalMap的Entry中。
        // 而此Entry是放在一个Entry数组里面的。
        // 获取当前ThreadLocal对应的entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            // 直接返回当前数据 
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // ThreadLocalMap未初始化,首先初始化
    return setInitialValue();
}
// ThreadLocal的setInitialValue方法源码
private T setInitialValue() {
    // 为ThreadLocalMap指定Value的初始化值
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 根据本地线程Thread获取ThreadLocalMap,一下方法与Set方法相同。
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        // 如果map存在,直接调用set()方法进行赋值。
        map.set(this, value);
    else
        // map==null;创建ThreadLocalMap对象,并将Thread和value关联起来
        createMap(t, value);
    return value;
}

3.4 小结

  • initialValue():初始化ThreadLocal中的value属性值。
  • set():获取当前线程,根据当前线程从ThreadLocals中获取ThreadLocalMap数据结构,
    • 如果ThreadLocalmap的数据结构没创建,则创建ThreadLocalMap,key为当前ThreadLocal实例,存入数据为当前value。ThreadLocal会创建一个默认长度为16Entry节点,并将k-v放入i位置(i位置计算方式和hashmap相似,当前线程的hashCode&(entry默认长度-1)),并设置阈值(默认为0)为Entry默认长度的2/3。
    • 如果ThreadLocalMap存在。就会遍历整个Map中的Entry节点,如果entry中的key和本线程ThreadLocal相同,将数据(value)直接覆盖,并返回。如果ThreadLoca为null,驱除ThreadLocal为null的Entry,并放入Value,这也是内存泄漏的重点地区。
  • get()
  • get()方法比较简单。就是根据Thread获取ThreadLocalMap。通过ThreadLocal来获得数据value。注意的是:如果ThreadLocalMap没有创建,直接进入创建过程。初始化ThreadLocalMap。并直接调用和set方法一样的方法。

3.4 ThreadLocalMap数据结构

set()还是get()方法都是避免不了和ThreadLocalMap和Entry打交道。ThreadLocalMap是一个类似于HashMap的一个数据结构(没有链表),仅仅用于存放线程存放在ThreadLocal中的数据备份,ThreadLocalMap的所有方法对外部都是不可见的。

ThreadLocalMap中用于存储数据的Entry,它是一个WeakReference类型的子类,之所以设计成WeakReference是为了能够是JVM发生gc,能够自动回收,防止内存溢出现象。

4. ThreadLocal的副作用

4.1 ThreadLocal引起脏数据

线程复用会产生脏数据。

由于结程池会重用 Thread 对象 ,那么与 Thread 绑定的类的静态属性 ThreadLocal 变量也会被重用。如果在实现的线程 run()方法体中不显式地调用 remove() 清理与线程相关的ThreadLocal 信息,那么如果下一个线程不调用set()设置初始值,就可能 get()到重用的线程信息,包括 ThreadLocal 所关联的线程对象的 value 值。

// java.lang.Thread#threadLocals
  /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
  ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

4.2 ThreadLocal引起的内存泄漏

在上面提到ThreadLocalMap中存放的Entry是WeakReference的子类。所以在JVM触发GC(young gc,Full GC)时,都会导致Entry的回收

在get数据的时候,增加检查,清除已经被回收器回收的Entry(WeakReference可以自动回收)

private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal key, int i, Entry e) {
    ThreadLocal k = e.get();
  ...
    if (k == null)
        // 清除 key 是 null 的Entry
        expungeStaleEntry(i);
  ...
 return null;
}
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) {
            n = len;
            removed = true;
            // 清除key==null 的Entry
            i = expungeStaleEntry(i);
        }
    } while ( (n >>>= 1) != 0);
    return removed;
}

set数据时增加检查,删除已经被垃圾回收器清理的Entry,并将其移除

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) {
            n = len;
            removed = true;
            // 清除key==null 的Entry
            i = expungeStaleEntry(i);
        }
    } while ( (n >>>= 1) != 0);
    return removed;
}

基于上面三点:ThreadLocal在一定程度上保证不会发生内存泄漏。但是Thread类中有ThreadlocalMap的引用,导致对象的可达性,故不能回收。

ThreadLocal被置为null清除了。但是通过ThreadLocalMap还是被Thread类引用。导致该数据是可达的。所以内存得不到释放,除非当前线程结束,Thread引用就会被垃圾回收器回收。如图所示

基于ThreadLocal常用方法、使用场景及注意事项说明_第1张图片

基于ThreadLocal常用方法、使用场景及注意事项说明_第2张图片5

5. ThreadLocal内存泄漏解决方案及remove方法源码解析

解决ThreadLocal内存泄漏的常用方法是:在使用完ThreadLocal之后,及时remove掉。

public void remove() {
    // 根据当前线程,获取ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        // map不为null,执行remove操作
        m.remove(this);
}
// ThreadLocal 的remove()
private void remove(ThreadLocal key) {
    // 获取存放key-value的数组。
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 根据ThreadLocal的HashCode确定唯一的角标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    for (Entry e = tab[i];e != null;e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        if (e.get() == key) {
            // 如果和本ThreadLocal相同。将引用置null。
            e.clear();
            // 实行Enty和Entry.value置null。源码中 tab[staleSlot].value = null; tab[staleSlot] = null;
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持脚本之家。