ThreadLocal原理介绍及应用场景

本次给大家介绍重要的工具ThreadLocal。讲解内容如下,同时介绍什么场景下发生内存泄漏,如何复现内存泄漏,如何正确使用它来避免内存泄漏。

  • ThreadLocal是什么?有哪些用途?
  • ThreadLocal如何使用
  • ThreadLocal原理
  • ThreadLocal使用有哪些坑及注意事项

1. ThreadLocal是什么?有哪些用途?

首先介绍Thread类中属性threadLocals:

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained * by the ThreadLocal class. */

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

我们发现Thread并没有提供成员变量threadLocals的设置与访问的方法,那么每个线程的实例threadLocals参数我们如何操作呢?这时我们的主角:ThreadLocal就登场了。

所以有那么一句总结:ThreadLocal是线程Thread中属性threadLocals的管理者。

也就是说我们对于ThreadLocal的get, set,remove的操作结果都是针对当前线程Thread实例的threadLocals存,取,删除操作。类似于一个开发者的任务,产品经理左右不了,产品经理只能通过技术leader来给开发者分配任务。下面再举个栗子,进一步说明他们之间的关系:

ThreadLocal原理介绍及应用场景_第1张图片

1.每个人都一张银行卡

2.每个人每张卡都有一定的余额。

3.每个人获取银行卡余额都必须通过该银行的管理系统。

4.每个人都只能获取自己卡持有的余额信息,他人的不可访问。

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映射到我们要说的ThreadLocal

  • 1.card类似于Thread
  • 2.card余额属性,卡号属性等类似于Treadlocal内部属性集合threadLocals
  • 3.cardManager类似于ThreadLocal管理类

那ThreadLocal有哪些应用场景呢?

其实我们无意间已经时时刻刻在使用ThreadLocal提供的便利,如果说多数据源的切换你比较陌生,那么spring提供的声明式事务就再熟悉不过了,我们在研发过程中无时无刻不在使用,而spring声明式事务的重要实现基础就是ThreadLocal,只不过大家没有去深入研究spring声明式事务的实现机制。后面有机会我会给大家介绍spring声明式事务的原理及实现机制。

原来ThreadLocal这么强大,但应用开发者使用较少,同时有些研发人员对于ThreadLocal内存泄漏,等潜在问题,不敢试用,恐怕这是对于ThreadLocal最大的误解,后面我们将会仔细分析,只要按照正确使用方式,就没什么问题。如果ThreadLocal存在问题,岂不是spring声明式事务是我们程序最大的潜在危险吗?

2.ThreadLocal如何使用

为了更直观的体会ThreadLocal的使用我们假设如下场景

  • 1.我们给每个线程生成一个ID。
  • 2.一旦设置,线程生命周期内不可变化。
  • 3.容器活动期间不可以生成重复的ID

我们创建一个ThreadLocal管理类:

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测试程序如下:我们同一个线程不断get,测试id是否变化,同时测试完成后我们就将其释放掉。

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在主程序中我们开启多个线程测试不通线程之间是否会影响

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不出意外我们的结果为:

ThreadLocal原理介绍及应用场景_第6张图片

结果:确实是不同线程间id不同,相同线程id相同。

3.ThreadLocal原理

①ThreadLocal类结构及方法解析:

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上图可知:ThreadLocal三个方法get, set , remove以及内部类`ThreadLocalMap

②ThreadLocal及Thread之间的关系:

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从这张图我们可以直观的看到Thread中属性threadLocals,作为一个特殊的Map,它的key值就是我们ThreadLocal实例,而value值这是我们设置的值。

③ThreadLocal的操作过程:

我们以get方法为例:

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其中getMap(t)返回的就上当前线程的threadlocals,如下图,然后根据当前ThreadLocal实例对象作为key获取ThreadLocalMap中的value,如果首次进来这调用setInitialValue()

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set的过程也类似:

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注意:ThreadLocal中可以直接t.threadLocals是因为ThreadThreadLocal在同一个包下,同样Thread可以直接访问ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;来进行声明属性。

4.ThreadLocal使用有哪些坑及注意事项

我经常在网上看到骇人听闻的标题,ThreadLocal导致内存泄漏,这通常让一些刚开始对ThreadLocal理解不透彻的开发者,不敢贸然使用。越不用,越陌生。这样就让我们错失了更好的实现方案,所以敢于引入新技术,敢于踩坑,才能不断进步。

我们来看下为什么说ThreadLocal会引起内存泄漏,什么场景下会导致内存泄漏?

先回顾下什么叫内存泄漏,对应的什么叫内存溢出

  • ①Memory overflow:内存溢出,没有足够的内存提供申请者使用。
  • ②Memory leak:内存泄漏,程序申请内存后,无法释放已申请的内存空间,内存泄漏的堆积终将导致内存溢出。

显然是TreadLocal在不规范使用的情况下导致了内存没有释放。

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红框里我们看到了一个特殊的类WeakReference,同样这个类,应用开发者也同样很少使用,这里简单介绍下吧

类型 回收时间 应用场景
强引用 一直存活,除非GC Roots不可达 所有程序的场景,基本对象,自定义对象等
软引用 内存不足时会被回收 一般用在对内存非常敏感的资源上,用作缓存的场景比较多,例如:网页缓存、图片缓存
弱引用 只能存活到下一次GC前 生命周期很短的对象,例如ThreadLocal中的Key。
虚引用 随时会被回收, 创建了可能很快就会被回收 可能被JVM团队内部用来跟踪JVM的垃圾回收活动

既然WeakReference在下一次gc即将被回收,那么我们的程序为什么没有出问题呢?

  • ①所以我们测试下弱引用的回收机制:

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这一种存在强引用不会被回收。

这里没有强引用将会被回收。

上面演示了弱引用的回收情况,下面我们看下ThreadLocal的弱引用回收情况。

  • ThreadLocal的弱引用回收情况

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如上图所示,我们在作为key的ThreadLocal对象没有外部强引用,下一次gc必将产生key值为null的数据,若线程没有及时结束必然出现,一条强引用链

Threadref–>Thread–>ThreadLocalMap–>Entry,所以这将导致内存泄漏。

下面我们模拟复现ThreadLocal导致内存泄漏:

1.为了效果更佳明显我们将我们的treadlocals的存储值value设置为1万字符串的列表:

class ThreadLocalMemory {
    // Thread local variable containing each thread's ID
    public ThreadLocal> threadId = new ThreadLocal>() {
        @Override
        protected List initialValue() {
            List list = new ArrayList();
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                list.add(String.valueOf(i));
            }
            return list;
        }
    };
    // Returns the current thread's unique ID, assigning it if necessary
    public List get() {
        return threadId.get();
    }
    // remove currentid
    public void remove() {
        threadId.remove();
    }
} 
  
 

测试代码如下:

public static void main(String[] args)
            throws InterruptedException {

        //  为了复现key被回收的场景,我们使用临时变量
        ThreadLocalMemory memeory = new ThreadLocalMemory();

        // 调用
        incrementSameThreadId(memeory);

        System.out.println("GC前:key:" + memeory.threadId);
        System.out.println("GC前:value-size:" + refelectThreadLocals(Thread.currentThread()));

        // 设置为null,调用gc并不一定触发垃圾回收,但是可以通过java提供的一些工具进行手工触发gc回收。
        memeory.threadId = null;
        System.gc();

        System.out.println("GC后:key:" + memeory.threadId);
        System.out.println("GC后:value-size:" + refelectThreadLocals(Thread.currentThread()));

        // 模拟线程一直运行
        while (true) {
        }
    }

此时我们如何知道内存中存在memory leak呢?

我们可以借助jdk提供的一些命令dump当前堆内存,命令如下:

jmap -dump:live,format=b,file=heap.bin

然后我们借助MAT可视化分析工具,来查看对内存,分析对象实例的存活状态:

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首先打开我们工具提示我们的内存泄漏分析:

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这里我们可以确定的是ThreadLocalMap实例的Entry.value是没有被回收的。

最后我们要确定Entry.key是否还在?打开Dominator Tree,搜索我们的ThreadLocalMemory,发现并没有存活的实例。

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以上我们复现了ThreadLocal不正当使用,引起的内存泄漏。demo在这里。

所以我们总结了使用ThreadLocal时会发生内存泄漏的前提条件:

  • ThreadLocal引用被设置为null,且后面没有set,get,remove操作。
  • ②线程一直运行,不停止。(线程池)
  • ③触发了垃圾回收。(Minor GC或Full GC)

我们看到ThreadLocal出现内存泄漏条件还是很苛刻的,所以我们只要破坏其中一个条件就可以避免内存泄漏,单但为了更好的避免这种情况的发生我们使用ThreadLocal时遵守以下两个小原则:

  • ①ThreadLocal申明为private static final。
    Private与final 尽可能不让他人修改变更引用,
    Static 表示为类属性,只有在程序结束才会被回收。
  • ②ThreadLocal使用后务必调用remove方法。
    最简单有效的方法是使用后将其移除。

到此这篇关于ThreadLocal原理介绍及应用场景的文章就介绍到这了。希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持脚本之家。