徹底搞清楚ThreadLocal與弱引用
眾所周知，多線程訪問(wèn)同一個(gè)競(jìng)態(tài)變量的時(shí)候容易出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題，特別是多個(gè)線程對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行寫入的時(shí)候，為了保證線程安全，一般使用者在訪問(wèn)共享變量的時(shí)候需要進(jìn)行額外的同步措施才能保證線程安全性。ThreadLocal是除了加鎖這種同步方式之外的一種規(guī)避多線程訪問(wèn)出現(xiàn)線程不安全的方法，它實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)制，這種機(jī)制可以復(fù)制一份競(jìng)態(tài)變量的副本，每個(gè)線程只訪問(wèn)一份副本，從而避免了對(duì)競(jìng)態(tài)變量的直接操作，消除了并發(fā)問(wèn)題。那么ThreadLocal的作用原理是什么呢？下面我們將用一段代碼來(lái)揭開ThreadLocal的面紗。
一、ThreadLocal基本原理
示例代碼如下：
public class ThreadLocalDemo {
public static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();
public static void main(String[] args) {
ThreadLocalDemo.threadLocal.set("hello world main");
System.out.println("創(chuàng)建新線程前，主線程" + Thread.currentThread().getName() + "的threadlocal字符值為：" + ThreadLocalDemo.threadLocal.get());
try {
Thread thread = new Thread() {
@Override
public void run() {
ThreadLocalDemo.threadLocal.set("new thread");
System.out.println("新線程" + Thread.currentThread().getName() + "的threadlocal字符值為：" + ThreadLocalDemo.threadLocal.get());
}
};
thread.start();
thread.join();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e);
}
System.out.println("創(chuàng)建新線程后，主線程" + Thread.currentThread().getName() + "的threadlocal字符值為：" + ThreadLocalDemo.threadLocal.get());
}
}代碼的邏輯很簡(jiǎn)單：在主類中定義了一個(gè)靜態(tài)變量threadLocal，在主線程中先設(shè)置這個(gè)變量的字符值為"hello world main"，隨后在主線程中創(chuàng)建一個(gè)新線程，并在新線程的run方法中修改threadLocal的字符值為“new thread”，然后主線程再把threadlocal的字符值打印一次。為了確保新線程一定會(huì)在主線程第二次打印前打印threadlocal的值，這里采用join方法，讓新線程強(qiáng)行“加塞”，阻塞主線程，直到新線程執(zhí)行完run方法后，主線程才解除阻塞，繼續(xù)打印。執(zhí)行結(jié)果如下：
從結(jié)果上來(lái)看，新線程對(duì)threadlocal字符值的修改，并沒(méi)有影響到主線程的threadlocal的字符值的變化，即使threadlocal的類型是static的。這說(shuō)明，新線程所修改的threadlocal是一份主線程的threadlocal的副本，那么這一點(diǎn)是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？下面我們就一行行分析源代碼來(lái)了解，首先我們先看main方法中的第一行代碼：
ThreadLocalDemo.threadLocal.set("hello world main");我們點(diǎn)進(jìn)這個(gè)set方法，相應(yīng)源碼如下：
/**
* 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);
else
createMap(t, value);
}這里邊有一個(gè)ThreadLocalMap的類，并且通過(guò)一個(gè)叫g(shù)etMap(t)的方法來(lái)獲取這個(gè)類的一個(gè)實(shí)例，隨后把threadLocal變量的地址作為key，以字符值為value存放在這個(gè)map中。如果map為空的話，會(huì)調(diào)用createMap(t,value)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)map，我們點(diǎn)進(jìn)createMap方法，代碼如下：
/**
* Create the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
* InheritableThreadLocal.
*
* @param t the current thread
* @param firstValue value for the initial entry of the map
*/
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}threadLocals是Thread類的一個(gè)靜態(tài)成員變量，它的類型是Thread的一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類ThreadLocalMap，如下所示：
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
* by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;我們用圖來(lái)總結(jié)一下上面的步驟，程序啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行代碼：
public static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();此時(shí)，整個(gè)棧內(nèi)存和堆內(nèi)存的情況如下圖所示：
然后，在main方法中執(zhí)行：
ThreadLocalDemo.threadLocal.set("hello world main");該過(guò)程創(chuàng)建新的ThreadLocalMap實(shí)例，它的key指向ThreadLocal對(duì)象，value為“hello world main”并且這個(gè)key是個(gè)弱引用(弱引用是什么以及這里為什么使用弱引用，后面會(huì)提)，如下圖所示：
隨后，main方法中創(chuàng)建Thread，并在Thread方法中又調(diào)用了
ThreadLocalDemo.threadLocal.set("new thread");因此，堆內(nèi)存中將創(chuàng)建兩個(gè)對(duì)象，一個(gè)是Thread對(duì)象，代表新線程；一個(gè)是Thread的ThreadLoaclMap的實(shí)例，如下圖所示：
總結(jié)：每在一個(gè)新線程中調(diào)用一次threadLocal.set("xxx")方法，就會(huì)在堆內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)新的ThreadLocalMap實(shí)例，這個(gè)實(shí)例通過(guò)Entry的方式保存key和value，value是不同的，而key都指向同一個(gè)ThreadLocal對(duì)象。
二、為什么使用弱引用
我們知道java的引用分為強(qiáng)、軟、弱、虛四種類型，其他類型因篇幅有限，暫且不表。只說(shuō)說(shuō)弱引用，弱引用的定義是：如果一個(gè)對(duì)象僅被一個(gè)弱引用指向，那么當(dāng)下一次GC到來(lái)時(shí)，這個(gè)對(duì)象一定會(huì)被垃圾回收器回收掉。觀察ThreadLocalMap的源碼：
/**
* 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);
value = v;
}
}我們觀察到ThreadLocalMap的key繼承了弱引用，這是為什么呢？光結(jié)合定義來(lái)體會(huì)肯定無(wú)法深入體會(huì)，讓我們結(jié)合圖來(lái)分析一下。還是上面那張圖，假設(shè)兩條虛線不是弱引用，而是強(qiáng)引用，如下圖紅線所示：
此時(shí)，假設(shè)我們?cè)谥骶€程或者新線程中添加一行代碼 ：
ThreadLocalDemo.threadLocal = null;即我們主動(dòng)釋放掉對(duì)ThreadLocalDemo.threadLocal 在兩個(gè)線程中的引用，結(jié)果如下圖所示：
我們可以看到，雖然兩個(gè)線程都主動(dòng)釋放掉了對(duì)ThreadLocal對(duì)象的引用，但是，從主線程thread引用->ThreadLocal對(duì)象，依然存在這一條可達(dá)路徑。眾所周知，現(xiàn)今主流JVM判斷一個(gè)對(duì)象是否可回收的算法通常為可達(dá)路徑算法，而不是引用計(jì)數(shù)法。可達(dá)路徑算法以GCROOT出發(fā)，如果存在一條通向某個(gè)對(duì)象的強(qiáng)引用通路，那么這個(gè)對(duì)象是永遠(yuǎn)不會(huì)回收掉的(即便發(fā)生OOM也不會(huì)回收)。thread的引用是主線程的一個(gè)本地變量，根據(jù)GCROOT算法，thread的引用是可以作為一個(gè)GCROOT的，那么現(xiàn)狀就是：我們顯式地釋放掉了threadLocal的引用(ThreadLocalDemo.threadLocal = null;)，因?yàn)槲覀兇_認(rèn)后續(xù)我們不會(huì)使用到它了，但是，由于存在GCROOT的一條可達(dá)通路，程序并沒(méi)有像我們希望的那樣立刻釋放掉ThreadLocal對(duì)象，直到我們所有的線程都釋放掉了，即程序結(jié)束，ThreadLocal對(duì)象才會(huì)被真正的釋放掉，這無(wú)疑就是內(nèi)存泄露。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們把圖中的紅線換成弱引用，如下圖所示
