ThreadLocal奪命11連問(wèn)

前言

前一段時(shí)間，有同事使用ThreadLocal踩坑了，正好引起了我的興趣。

所以近期，我抽空把ThreadLocal的源碼再研究了一下，越看越有意思，發(fā)現(xiàn)里面的東西還真不少。

我把精華濃縮了一下，匯集成了下面11個(gè)問(wèn)題，看看你能頂住第幾個(gè)？

1. 為什么要用ThreadLocal?

并發(fā)編程是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，它讓我們的程序變得更加高效。

但在并發(fā)的場(chǎng)景中，如果有多個(gè)線程同時(shí)修改公共變量，可能會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題，即該變量最終結(jié)果可能出現(xiàn)異常。

為了解決線程安全問(wèn)題，JDK出現(xiàn)了很多技術(shù)手段，比如：使用synchronized或Lock，給訪問(wèn)公共資源的代碼上鎖，保證了代碼的原子性。

但在高并發(fā)的場(chǎng)景中，如果多個(gè)線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)一把鎖，這時(shí)會(huì)存在大量的鎖等待，可能會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，讓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間一下子變慢。

因此，JDK還提供了另外一種用空間換時(shí)間的新思路：ThreadLocal。

它的核心思想是：共享變量在每個(gè)線程都有一個(gè)副本，每個(gè)線程操作的都是自己的副本，對(duì)另外的線程沒(méi)有影響。

例如：

@Service
public?class?ThreadLocalService?{
????private?static?final?ThreadLocal?threadLocal?=?new?ThreadLocal<>();

????public?void?add()?{
????????threadLocal.set(1);
????????doSamething();
????????Integer?integer?=?threadLocal.get();
????}
}

2. ThreadLocal的原理是什么？

為了搞清楚ThreadLocal的底層實(shí)現(xiàn)原理，我們不得不扒一下源碼。

ThreadLocal的內(nèi)部有一個(gè)靜態(tài)的內(nèi)部類叫：ThreadLocalMap。

public?class?ThreadLocal<T>?{
?????...
?????public?T?get()?{
????????//獲取當(dāng)前線程
????????Thread?t?=?Thread.currentThread();
????????//獲取當(dāng)前線程的成員變量ThreadLocalMap對(duì)象
????????ThreadLocalMap?map?=?getMap(t);
????????if?(map?!=?null)?{
????????????//根據(jù)threadLocal對(duì)象從map中獲取Entry對(duì)象
????????????ThreadLocalMap.Entry?e?=?map.getEntry(this);
????????????if?(e?!=?null)?{
????????????????@SuppressWarnings("unchecked")
????????????????//獲取保存的數(shù)據(jù)
????????????????T?result?=?(T)e.value;
????????????????return?result;
????????????}
????????}
????????//初始化數(shù)據(jù)
????????return?setInitialValue();
????}
????
????private?T?setInitialValue()?{
????????//獲取要初始化的數(shù)據(jù)
????????T?value?=?initialValue();
????????//獲取當(dāng)前線程
????????Thread?t?=?Thread.currentThread();
????????//獲取當(dāng)前線程的成員變量ThreadLocalMap對(duì)象
????????ThreadLocalMap?map?=?getMap(t);
????????//如果map不為空
????????if?(map?!=?null)
????????????//將初始值設(shè)置到map中，key是this，即threadLocal對(duì)象，value是初始值
????????????map.set(this,?value);
????????else
???????????//如果map為空，則需要?jiǎng)?chuàng)建新的map對(duì)象
????????????createMap(t,?value);
????????return?value;
????}
????
????public?void?set(T?value)?{
????????//獲取當(dāng)前線程
????????Thread?t?=?Thread.currentThread();
????????//獲取當(dāng)前線程的成員變量ThreadLocalMap對(duì)象
????????ThreadLocalMap?map?=?getMap(t);
????????//如果map不為空
????????if?(map?!=?null)
????????????//將值設(shè)置到map中，key是this，即threadLocal對(duì)象，value是傳入的value值
????????????map.set(this,?value);
????????else
???????????//如果map為空，則需要?jiǎng)?chuàng)建新的map對(duì)象
????????????createMap(t,?value);
????}
????
?????static?class?ThreadLocalMap?{
????????...
?????}
?????...
}

ThreadLocal的get方法、set方法和setInitialValue方法，其實(shí)最終操作的都是ThreadLocalMap類中的數(shù)據(jù)。

其中ThreadLocalMap類的內(nèi)部如下：

static?class?ThreadLocalMap?{
????static?class?Entry?extends?WeakReference<ThreadLocal>?{
????????Object?value;

????????Entry(ThreadLocal?k,?Object?v)?{
????????????super(k);
????????????value?=?v;
????????}
???}
???...
???private?Entry[]?table;
???...
}

ThreadLocalMap里面包含一個(gè)靜態(tài)的內(nèi)部類Entry，該類繼承于WeakReference類，說(shuō)明Entry是一個(gè)弱引用。

ThreadLocalMap內(nèi)部還包含了一個(gè)Entry數(shù)組，其中：Entry = ThreadLocal + value。

而ThreadLocalMap被定義成了Thread類的成員變量。

public?class?Thread?implements?Runnable?{
????...
????ThreadLocal.ThreadLocalMap?threadLocals?=?null;
}

下面用一張圖從宏觀上，認(rèn)識(shí)一下ThreadLocal的整體結(jié)構(gòu)：從上圖中看出，在每個(gè)Thread類中，都有一個(gè)ThreadLocalMap的成員變量，該變量包含了一個(gè)Entry數(shù)組，該數(shù)組真正保存了ThreadLocal類set的數(shù)據(jù)。

Entry是由threadLocal和value組成，其中threadLocal對(duì)象是弱引用，在GC的時(shí)候，會(huì)被自動(dòng)回收。而value就是ThreadLocal類set的數(shù)據(jù)。

下面用一張圖總結(jié)一下引用關(guān)系：上圖中除了Entry的key對(duì)ThreadLocal對(duì)象是弱引用，其他的引用都是強(qiáng)引用。

需要特別說(shuō)明的是，上圖中ThreadLocal對(duì)象我畫到了堆上，其實(shí)在實(shí)際的業(yè)務(wù)場(chǎng)景中不一定在堆上。因?yàn)槿绻鸗hreadLocal被定義成了static的，ThreadLocal的對(duì)象是類共用的，可能出現(xiàn)在方法區(qū)。

3. 為什么用ThreadLocal做key？

不知道你有沒(méi)有思考過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題：ThreadLocalMap為什么要用ThreadLocal做key，而不是用Thread做key？

如果在你的應(yīng)用中，一個(gè)線程中只使用了一個(gè)ThreadLocal對(duì)象，那么使用Thread做key也未嘗不可。

@Service
public?class?ThreadLocalService?{
????private?static?final?ThreadLocal?threadLocal?=?new?ThreadLocal<>();
}????

但實(shí)際情況中，你的應(yīng)用，一個(gè)線程中很有可能不只使用了一個(gè)ThreadLocal對(duì)象。這時(shí)使用Thread做key不就出有問(wèn)題？

@Service
public?class?ThreadLocalService?{
????private?static?final?ThreadLocal?threadLocal1?=?new?ThreadLocal<>();
????private?static?final?ThreadLocal?threadLocal2?=?new?ThreadLocal<>();
????private?static?final?ThreadLocal?threadLocal3?=?new?ThreadLocal<>();
}????

假如使用Thread做key時(shí)，你的代碼中定義了3個(gè)ThreadLocal對(duì)象，那么，通過(guò)Thread對(duì)象，它怎么知道要獲取哪個(gè)ThreadLocal對(duì)象呢？

如下圖所示：

因此，不能使用Thread做key，而應(yīng)該改成用ThreadLocal對(duì)象做key，這樣才能通過(guò)具體ThreadLocal對(duì)象的get方法，輕松獲取到你想要的ThreadLocal對(duì)象。

如下圖所示：

4. Entry的key為什么設(shè)計(jì)成弱引用？

前面說(shuō)過(guò)，Entry的key，傳入的是ThreadLocal對(duì)象，使用了WeakReference對(duì)象，即被設(shè)計(jì)成了弱引用。

那么，為什么要這樣設(shè)計(jì)呢？

假如key對(duì)ThreadLocal對(duì)象的弱引用，改為強(qiáng)引用。我們都知道ThreadLocal變量對(duì)ThreadLocal對(duì)象是有強(qiáng)引用存在的。

即使ThreadLocal變量生命周期完了，設(shè)置成null了，但由于key對(duì)ThreadLocal還是強(qiáng)引用。

此時(shí)，如果執(zhí)行該代碼的線程使用了線程池，一直長(zhǎng)期存在，不會(huì)被銷毀。

就會(huì)存在這樣的強(qiáng)引用鏈：Thread變量 -> Thread對(duì)象 -> ThreadLocalMap -> Entry -> key -> ThreadLocal對(duì)象。

那么，ThreadLocal對(duì)象和ThreadLocalMap都將不會(huì)被GC回收，于是產(chǎn)生了內(nèi)存泄露問(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，JDK的開(kāi)發(fā)者們把Entry的key設(shè)計(jì)成了弱引用。

弱引用的對(duì)象，在GC做垃圾清理的時(shí)候，就會(huì)被自動(dòng)回收了。

如果key是弱引用，當(dāng)ThreadLocal變量指向null之后，在GC做垃圾清理的時(shí)候，key會(huì)被自動(dòng)回收，其值也被設(shè)置成null。

如下圖所示：接下來(lái)，最關(guān)鍵的地方來(lái)了。

由于當(dāng)前的ThreadLocal變量已經(jīng)被指向null了，但如果直接調(diào)用它的get、set或remove方法，很顯然會(huì)出現(xiàn)空指針異常。因?yàn)樗纳呀?jīng)結(jié)束了，再調(diào)用它的方法也沒(méi)啥意義。

此時(shí)，如果系統(tǒng)中還定義了另外一個(gè)ThreadLocal變量b，調(diào)用了它的get、set或remove，三個(gè)方法中的任何一個(gè)方法，都會(huì)自動(dòng)觸發(fā)清理機(jī)制，將key為null的value值清空。

如果key和value都是null，那么Entry對(duì)象會(huì)被GC回收。如果所有的Entry對(duì)象都被回收了，ThreadLocalMap也會(huì)被回收了。

這樣就能最大程度的解決內(nèi)存泄露問(wèn)題。

需要特別注意的地方是：

1. key為null的條件是，ThreadLocal變量指向null，并且key是弱引用。如果ThreadLocal變量沒(méi)有斷開(kāi)對(duì)ThreadLocal的強(qiáng)引用，即ThreadLocal變量沒(méi)有指向null，GC就貿(mào)然的把弱引用的key回收了，不就會(huì)影響正常用戶的使用？
2. 如果當(dāng)前ThreadLocal變量指向null了，并且key也為null了，但如果沒(méi)有其他ThreadLocal變量觸發(fā)get、set或remove方法，也會(huì)造成內(nèi)存泄露。

下面看看弱引用的例子：

public?static?void?main(String[]?args)?{
????WeakReference