ThreadLocal 你真的會用嗎?

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來源：juejin.cn/post/6968022754096807966

• ThreadLocal的作用以及應(yīng)用場景
• 使用場景
• 原理分析
• ThreadLocalMap的底層結(jié)構(gòu)
• 內(nèi)存泄露產(chǎn)生的原因
• 解決Hash沖突
• 使用ThreadLocal時對象存在哪里？

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ThreadLocal的作用以及應(yīng)用場景

ThreadLocal算是一種并發(fā)容器吧，因為他的內(nèi)部是有ThreadLocalMap組成，ThreadLocal是為了解決多線程情況下變量不能被共享的問題，也就是多線程共享變量的問題。

ThreadLocal和Lock以及Synchronized的區(qū)別是：ThreadLocal是給每個線程分配一個變量（對象），各個線程都存有變量的副本，這樣每個線程都是使用自己（變量）對象實例，使線程與線程之間進(jìn)行隔離；而Lock和Synchronized的方式是使線程有順序的執(zhí)行。

舉一個簡單的例子：目前有100個學(xué)生等待簽字，但是老師只有一個筆，那老師只能按順序的分給每個學(xué)生，等待A學(xué)生簽字完成然后將筆交給B學(xué)生，這就類似Lock，Synchronized的方式。而ThreadLocal是，老師直接拿出一百個筆給每個學(xué)生；再效率提高的同事也要付出一個內(nèi)存消耗；也就是以空間換時間的概念

使用場景

Spring的事務(wù)隔離就是使用ThreadLocal和AOP來解決的；主要是TransactionSynchronizationManager這個類；

解決SimpleDateFormat線程不安全問題；

當(dāng)我們使用SimpleDateFormat的parse()方法的時候，parse()方法會先調(diào)用Calendar.clear()方法，然后調(diào)用Calendar.add()方法，如果一個線程先調(diào)用了add()方法，然后另一個線程調(diào)用了clear()方法；這時候parse()方法就會出現(xiàn)解析錯誤；如果不信我們可以來個例子：

      
      public?class?SimpleDateFormatTest?{

????private?static?SimpleDateFormat?simpleDateFormat?=?new?SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i?=?0;?i?<?50;?i++)?{
????????????Thread?thread?=?new?Thread(new?Runnable()?{
????????????????@Override
????????????????public?void?run()?{
????????????????????dateFormat();
????????????????}
????????????});
????????????thread.start();
????????}
????}

????/**
?????*?字符串轉(zhuǎn)成日期類型
?????*/
????public?static?void?dateFormat()?{
????????try?{
????????????simpleDateFormat.parse("2021-5-27");
????????}?catch?(ParseException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????}
}

    

這里我們只啟動了50個線程問題就會出現(xiàn)，其實看巧不巧，有時候只有10個線程的情況就會出錯：

      
      Exception?in?thread?"Thread-40"?java.lang.NumberFormatException:?For?input?string:?""
?at?java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
?at?java.lang.Long.parseLong(Long.java:601)
?at?java.lang.Long.parseLong(Long.java:631)
?at?java.text.DigitList.getLong(DigitList.java:195)
?at?java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2084)
?at?java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1869)
?at?java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
?at?java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
?at?cn.haoxy.use.lock.sdf.SimpleDateFormatTest.dateFormat(SimpleDateFormatTest.java:36)
?at?cn.haoxy.use.lock.sdf.SimpleDateFormatTest$1.run(SimpleDateFormatTest.java:23)
?at?java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Exception?in?thread?"Thread-43"?java.lang.NumberFormatException:?multiple?points
?at?sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:1890)
?at?sun.misc.FloatingDecimal.parseDouble(FloatingDecimal.java:110)
?at?java.lang.Double.parseDouble(Double.java:538)
?at?java.text.DigitList.getDouble(DigitList.java:169)
?at?java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2089)
?at?java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1869)
?at?java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
?at?java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
?at??.............

    

其實解決這個問題很簡單，讓每個線程new一個自己的SimpleDateFormat，但是如果100個線程都要new100個SimpleDateFormat嗎？

當(dāng)然我們不能這么做，我們可以借助線程池加上ThreadLocal來解決這個問題：

      
      public?class?SimpleDateFormatTest?{

????private?static?ThreadLocal<SimpleDateFormat>?local?=?new?ThreadLocal<SimpleDateFormat>()?{
????????@Override
???????//初始化線程本地變量
????????protected?SimpleDateFormat?initialValue()?{
????????????return?new?SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
????????}
????};

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????ExecutorService?es?=?Executors.newCachedThreadPool();
????????for?(int?i?=?0;?i?<?500;?i++)?{
????????????es.execute(()?->?{
???????????????//調(diào)用字符串轉(zhuǎn)成日期方法
????????????????dateFormat();
????????????});
????????}
????????es.shutdown();
????}
????/**
?????*?字符串轉(zhuǎn)成日期類型
?????*/
????public?static?void?dateFormat()?{
????????try?{
???????????//ThreadLocal中的get()方法
????????????local.get().parse("2021-5-27");
????????}?catch?(ParseException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????}
}

    

這樣就優(yōu)雅的解決了線程安全問題；

解決過度傳參問題；例如一個方法中要調(diào)用好多個方法，每個方法都需要傳遞參數(shù)；例如下面示例：

      
      void?work(User?user)?{
????getInfo(user);
????checkInfo(user);
????setSomeThing(user);
????log(user);
}

    

用了ThreadLocal之后：

      
      public?class?ThreadLocalStu?{

????private?static?ThreadLocal<User>?userThreadLocal?=?new?ThreadLocal<>();

????void?work(User?user)?{
????????try?{
????????????userThreadLocal.set(user);
????????????getInfo();
????????????checkInfo();
????????????someThing();
????????}?finally?{
????????????userThreadLocal.remove();
????????}
????}

????void?setInfo()?{
????????User?u?=?userThreadLocal.get();
????????//.....
????}

????void?checkInfo()?{
????????User?u?=?userThreadLocal.get();
????????//....
????}

????void?someThing()?{
????????User?u?=?userThreadLocal.get();
????????//....
????}
}

    

每個線程內(nèi)需要保存全局變量（比如在登錄成功后將用戶信息存到ThreadLocal里，然后當(dāng)前線程操作的業(yè)務(wù)邏輯直接get取就完事了，有效的避免的參數(shù)來回傳遞的麻煩之處），一定層級上減少代碼耦合度。

• 比如存儲 交易id等信息。每個線程私有。
• 比如aop里記錄日志需要before記錄請求id，end拿出請求id，這也可以。
• 比如jdbc連接池（很典型的一個ThreadLocal用法）
• ....等等....

原理分析

上面我們基本上知道了ThreadLocal的使用方式以及應(yīng)用場景，當(dāng)然應(yīng)用場景不止這些這只是工作中常用到的場景；下面我們對它的原理進(jìn)行分析;

我們先看一下它的set()方法;

      
      public?void?set(T?value)?{
????Thread?t?=?Thread.currentThread();
????ThreadLocalMap?map?=?getMap(t);
????if?(map?!=?null)
????????map.set(this,?value);
????else
????????createMap(t,?value);
}

    

是不是特別簡單，首先獲取當(dāng)前線程，用當(dāng)前線程作為key,去獲取ThreadLocalMap,然后判斷map是否為空，不為空就將當(dāng)前線程作為key,傳入的value作為map的value值；如果為空就創(chuàng)建一個ThreadLocalMap,然后將key和value方進(jìn)去；從這里可以看出value值是存放到ThreadLocalMap中；

然后我們看看ThreadLocalMap是怎么來的？先看下getMap()方法：

      
      //在Thread類中維護(hù)了threadLocals變量，注意是Thread類
ThreadLocal.ThreadLocalMap?threadLocals?=?null;?

//在ThreadLocal類中的getMap()方法
ThreadLocalMap?getMap(Thread?t)?{
????????return?t.threadLocals;
????}

    

這就能解釋每個線程中都有一個ThreadLocalMap，因為ThreadLocalMap的引用在Thread中維護(hù)；這就確保了線程間的隔離；

我們繼續(xù)回到set()方法，看到當(dāng)map等于空的時候createMap(t, value);

      
      void?createMap(Thread?t,?T?firstValue)?{
??????t.threadLocals?=?new?ThreadLocalMap(this,?firstValue);
??}

    

這里就是new了一個ThreadLocalMap然后賦值給threadLocals成員變量；ThreadLocalMap構(gòu)造方法：

      
      ThreadLocalMap(ThreadLocal<?>?firstKey,?Object?firstValue)?{
??//初始化一個Entry???
??table?=?new?Entry[INITIAL_CAPACITY];
???//計算key應(yīng)該存放的位置
???int?i?=?firstKey.threadLocalHashCode?&?(INITIAL_CAPACITY?-?1);
???//將Entry放到指定位置
???table[i]?=?new?Entry(firstKey,?firstValue);
???size?=?1;
???//設(shè)置數(shù)組的大小?16*2/3=10,類似HashMap中的0.75*16=12
???setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
?}

    

這里寫有個大概的印象，后面對ThreadLocalMap內(nèi)部結(jié)構(gòu)還會進(jìn)行詳細(xì)的講解；

下面我們再去看一下get()方法：

      
      public?T?get()?{
????Thread?t?=?Thread.currentThread();
???//用當(dāng)前線程作為key去獲取ThreadLocalMap
????ThreadLocalMap?map?=?getMap(t);
????if?(map?!=?null)?{
???????//map不為空，然后獲取map中的Entry
????????ThreadLocalMap.Entry?e?=?map.getEntry(this);
????????if?(e?!=?null)?{
????????????@SuppressWarnings("unchecked")
???????????//如果Entry不為空就獲取對應(yīng)的value值
????????????T?result?=?(T)e.value;
????????????return?result;
????????}
????}
???//如果map為空或者entry為空的話通過該方法初始化，并返回該方法的value
????return?setInitialValue();
}

    

get()方法和set()都比較容易理解，如果map等于空的時候或者entry等于空的時候我們看看setInitialValue()方法做了什么事：

      
      ????private?T?setInitialValue()?{
??????//初始化變量值?由子類去實現(xiàn)并初始化變量
????????T?value?=?initialValue();
????????Thread?t?=?Thread.currentThread();
???????//這里再次getMap();
????????ThreadLocalMap?map?=?getMap(t);
????????if?(map?!=?null)
????????????map.set(this,?value);
????????else
??????//和set()方法中的
????????????createMap(t,?value);
????????return?value;
????}

    

下面我們再去看一下ThreadLocal中的initialValue()方法：

      
      protected?T?initialValue()?{
?????return?null;
?}

    

設(shè)置初始值，由子類去實現(xiàn)；就例如我們上面的例子，重寫ThreadLocal類中的initialValue()方法：

      
      ????private?static?ThreadLocal<SimpleDateFormat>?local?=?new?ThreadLocal<SimpleDateFormat>()?{
????????@Override
???????//初始化線程本地變量
????????protected?SimpleDateFormat?initialValue()?{
????????????return?new?SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
????????}
????};

    

createMap()方法和上面set()方法中createMap()方法同一個，就不過多的敘述了；剩下還有一個removve()方法

      
      ???public?void?remove()?{
?????????ThreadLocalMap?m?=?getMap(Thread.currentThread());
?????????if?(m?!=?null)
???????????//2.?從map中刪除以當(dāng)前threadLocal實例為key的鍵值對
?????????????m.remove(this);
?????}

    

源碼的講解就到這里，也都比較好理解，下面我們看看ThreadLocalMap的底層結(jié)構(gòu)

ThreadLocalMap的底層結(jié)構(gòu)

上面我們已經(jīng)了解了ThreadLocal的使用場景以及它比較重要的幾個方法；下面我們再去它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；經(jīng)過上的源碼分析我們可以看到數(shù)據(jù)其實都是存放到了ThreadLocal中的內(nèi)部類ThreadLocalMap中；而ThreadLocalMap中又維護(hù)了一個Entry對象，也就說數(shù)據(jù)最終是存放到Entry對象中的；

      
      static?class?ThreadLocalMap?{

????????static?class?Entry?extends?WeakReference<ThreadLocal<?>>?{
????????????/**?The?value?associated?with?this?ThreadLocal.?*/
????????????Object?value;

????????????Entry(ThreadLocal<?>?k,?Object?v)?{
????????????????super(k);
????????????????value?=?v;
????????????}
?
????????}
??????????ThreadLocalMap(ThreadLocal<?>?firstKey,?Object?firstValue)?{
????????????table?=?new?Entry[INITIAL_CAPACITY];
????????????int?i?=?firstKey.threadLocalHashCode?&?(INITIAL_CAPACITY?-?1);
????????????table[i]?=?new?Entry(firstKey,?firstValue);
????????????size?=?1;
????????????setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
????????}
??//?....................
}

    

Entry的構(gòu)造方法是以當(dāng)前線程為key,變量值Object為value進(jìn)行存儲的；在上面的源碼中ThreadLocalMap的構(gòu)造方法中也涉及到了Entry；看到Entry是一個數(shù)組；初始化長度為INITIAL_CAPACITY = 16；因為 Entry 繼承了 WeakReference，在 Entry 的構(gòu)造方法中，調(diào)用了 super(k)方法就會將 threadLocal 實例包裝成一個 WeakReferenece。這也是ThreadLocal會產(chǎn)生內(nèi)存泄露的原因；

內(nèi)存泄露產(chǎn)生的原因

圖片

如圖所示存在一條引用鏈：Thread Ref->Thread->ThreadLocalMap->Entry->Key:Value，經(jīng)過上面的講解我們知道ThreadLocal作為Key,但是被設(shè)置成了弱引用，弱引用在JVM垃圾回收時是優(yōu)先回收的，就是說無論內(nèi)存是否足夠弱引用對象都會被回收；弱引用的生命周期比較短；當(dāng)發(fā)生一次GC的時候就會變成如下：

圖片

TreadLocalMap中出現(xiàn)了Key為null的Entry，就沒有辦法訪問這些key為null的Entry的value,如果線程遲遲不結(jié)束（也就是說這條引用鏈無意義的一直存在）就會造成value永遠(yuǎn)無法回收造成內(nèi)存泄露；如果當(dāng)前線程運(yùn)行結(jié)束Thread，ThreadLocalMap,Entry之間沒有了引用鏈，在垃圾回收的時候就會被回收；但是在開發(fā)中我們都是使用線程池的方式，線程池的復(fù)用不會主動結(jié)束；所以還是會存在內(nèi)存泄露問題；

解決方法也很簡單，就是在使用完之后主動調(diào)用remove()方法釋放掉；

解決Hash沖突

記得在大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時候?qū)W習(xí)了很多種解決hash沖突的方法;例如：

線性探測法（開放地址法的一種）： 計算出的散列地址如果已被占用，則按順序找下一個空位。如果找到末尾還沒有找到空位置就從頭重新開始找；

圖片

二次探測法（開放地址法的一種）

圖片

鏈地址法：鏈地址是對每一個同義詞都建一個單鏈表來解決沖突，HashMap采用的是這種方法；

圖片

多重Hash法： 在key沖突的情況下多重hash,直到不沖突為止，這種方式不易產(chǎn)生堆積但是計算量太大；

公共溢出區(qū)法： 這種方式需要兩個表，一個存基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一個存放沖突數(shù)據(jù)稱為溢出表；

上面的圖片都是在網(wǎng)上找到的一些資料，和大學(xué)時學(xué)習(xí)時的差不多我就直接拿來用了；也當(dāng)自己復(fù)習(xí)了一遍；

介紹了那么多解決Hash沖突的方法，那ThreadLocalMap使用的哪一種方法呢？我們可以看一下源碼：

      
      ?private?void?set(ThreadLocal<?>?key,?Object?value)?{
????????????Entry[]?tab?=?table;
????????????int?len?=?tab.length;
???????//根據(jù)HashCode?&?數(shù)組長度?計算出數(shù)組該存放的位置
????????????int?i?=?key.threadLocalHashCode?&?(len-1);
?????//遍歷Entry數(shù)組中的元素
????????????for?(Entry?e?=?tab[i];
?????????????????e?!=?null;
?????????????????e?=?tab[i?=?nextIndex(i,?len)])?{
????????????????ThreadLocal<?>?k?=?e.get();
??????//如果這個Entry對象的key正好是即將設(shè)置的key，那么就刷新Entry中的value；
????????????????if?(k?==?key)?{
????????????????????e.value?=?value;
????????????????????return;
????????????????}
?????//?entry!=null,key==null時，說明threadLcoal這key已經(jīng)被GC了，這里就是上面說到
?????//會有內(nèi)存泄露的地方，當(dāng)然作者也知道這種情況的存在，所以這里做了一個判斷進(jìn)行解決臟的
?????//entry（數(shù)組中不想存有過時的entry），但是也不能解決泄露問題，因為舊value還存在沒有消失
????????????????if?(k?==?null)?{
??????????????????//用當(dāng)前插入的值代替掉這個key為null的“臟”entry
????????????????????replaceStaleEntry(key,?value,?i);
????????????????????return;
????????????????}
????????????}
????//新建entry并插入table中i處
????????????tab[i]?=?new?Entry(key,?value);
????????????int?sz?=?++size;
????????????if?(!cleanSomeSlots(i,?sz)?&&?sz?>=?threshold)
????????????????rehash();
????????}

    

從這里我們可以看出使用的是線性探測的方式來解決hash沖突！

源碼中通過nextIndex(i, len)方法解決 hash 沖突的問題，該方法為((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);，也就是不斷往后線性探測，直到找到一個空的位置，當(dāng)?shù)焦１砟┪驳臅r候還沒有找到空位置再從 0 開始找，成環(huán)形！

使用ThreadLocal時對象存在哪里？

在java中，棧內(nèi)存歸屬于單個線程，每個線程都會有一個棧內(nèi)存，其存儲的變量只能在其所屬線程中可見，即棧內(nèi)存可以理解成線程的私有變量，而堆內(nèi)存中的變量對所有線程可見，可以被所有線程訪問！

那么ThreadLocal的實例以及它的值是不是存放在棧上呢？其實不是的，因為ThreadLocal的實例實際上也是被其創(chuàng)建的類持有，（更頂端應(yīng)該是被線程持有），而ThreadLocal的值其實也是被線程實例持有，它們都是位于堆上，只是通過一些技巧將可見性修改成了線程可見。

（完）

碼農(nóng)突圍資料鏈接

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4、Github 10K+，《LeetCode刷題C/C++版答案》出爐.PDF

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