一文搞懂 ThreadLocal 原理

当多线程访问共享可变数据时，涉及到线程间同步的问题，并不是所有时候，都要用到共享数据，所以就需要线程封闭出场了。 数据都被封闭在各自的线程之中，就不需要同步，这种通过将数据封闭在线程中而避免使用同步的技术称为**线程封闭**。 本文主要介绍线程封闭中的其中一种体现：ThreadLocal，将会介绍什么是 ThreadLocal；从 ThreadLocal 源码角度分析，最后介绍 ThreadLocal 的应用场景。 ## 什么是 ThreadLocal？ ThreadLocal 是 Java 里一种特殊变量，它是一个线程级别变量，每个线程都有一个 ThreadLocal 就是每个线程都拥有了自己独立的一个变量，竞态条件被彻底消除了，在并发模式下是绝对安全的变量。 可以通过 `ThreadLocal value = new ThreadLocal();` 来使用。 会自动在每一个线程上创建一个 T 的副本，副本之间彼此独立，互不影响，可以用 ThreadLocal 存储一些参数，以便在线程中多个方法中使用，用以代替方法传参的做法。 下面通过例子来了解下 ThreadLocal： ``` public class ThreadLocalDemo { /** * ThreadLocal变量，每个线程都有一个副本，互不干扰 */ public static final ThreadLocal THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>(); public static void main(String[] args) throws Exception { new ThreadLocalDemo().threadLocalTest(); } public void threadLocalTest() throws Exception { // 主线程设置值 THREAD_LOCAL.set("wupx"); String v = THREAD_LOCAL.get(); System.out.println("Thread-0线程执行之前，" + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值：" + v); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { String v = THREAD_LOCAL.get(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值：" + v); // 设置 threadLocal THREAD_LOCAL.set("huxy"); v = THREAD_LOCAL.get(); System.out.println("重新设置之后，" + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值为：" + v); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程执行结束"); } }).start(); // 等待所有线程执行结束 Thread.sleep(3000L); v = THREAD_LOCAL.get(); System.out.println("Thread-0线程执行之后，" + Thread.currentThread().getName() + "线程取到的值：" + v); } } ``` 首先通过 `static final` 定义了一个 `THREAD_LOCAL` 变量，其中 `static` 是为了确保全局只有一个保存 String 对象的 ThreadLocal 实例；`final` 确保 ThreadLocal 的实例不可更改，防止被意外改变，导致放入的值和取出来的不一致，另外还能防止 ThreadLocal 的内存泄漏。上面的例子是演示在不同的线程中获取它会得到不同的结果，运行结果如下： ``` Thread-0线程执行之前，main线程取到的值：wupx Thread-0线程取到的值：null 重新设置之后Thread-0线程取到的值为：huxy Thread-0线程执行结束 Thread-0线程执行之后，main线程取到的值：wupx ``` 首先在 `Thread-0` 线程执行之前，先给 `THREAD_LOCAL` 设置为 `wupx`，然后可以取到这个值，然后通过创建一个新的线程以后去取这个值，发现新线程取到的为 null，意外着这个变量在不同线程中取到的值是不同的，不同线程之间对于 ThreadLocal 会有对应的副本，接着在线程 `Thread-0` 中执行对 `THREAD_LOCAL` 的修改，将值改为 `huxy`，可以发现线程 `Thread-0` 获取的值变为了 `huxy`，主线程依然会读取到属于它的副本数据 `wupx`，这就是线程的封闭。 看到这里，我相信大家一定会好奇 ThreadLocal 是如何做到多个线程对同一对象 set 操作，但是 get 获取的值还都是每个线程 set 的值呢，接下来就让我们进入源码解析环节： ## ThreadLocal 源码解析 首先看下 ThreadLocal 都有哪些重要属性： ``` // 当前 ThreadLocal 的 hashCode，由 nextHashCode() 计算而来，用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置 private final int threadLocalHashCode = nextHashCode(); // 哈希魔数，主要与斐波那契散列法以及黄金分割有关 private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647; // 返回计算出的下一个哈希值，其值为 i * HASH_INCREMENT，其中 i 代表调用次数 private static int nextHashCode() { return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT); } // 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的 private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger(); ``` 其中的 `HASH_INCREMENT` 也不是随便取的，它转化为十进制是 `1640531527`，`2654435769` 转换成 int 类型就是 `-1640531527`，`2654435769` 等于 `(√5-1)/2` 乘以 2 的 32 次方。`(√5-1)/2` 就是黄金分割数，近似为 `0.618`，也就是说 `0x61c88647` 理解为一个黄金分割数乘以 2 的 32 次方，它可以保证 nextHashCode 生成的哈希值，均匀的分布在 2 的幂次方上，且小于 2 的 32 次方。 下面是 javaspecialists 中一篇文章对它的介绍： > This number represents the golden ratio (sqrt(5)-1) times two to the power of 31 ((sqrt(5)-1) * (2^31)). The result is then a golden number, either 2654435769 or -1640531527. 下面用例子来证明下： ``` private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647; public static void main(String[] args) throws Exception { int n = 5; int max = 2 << (n - 1); for (int i = 0; i < max; i++) { System.out.print(i * HASH_INCREMENT & (max - 1)); System.out.print(" "); } } ``` 运行结果为：`0 7 14 21 28 3 10 17 24 31 6 13 20 27 2 9 16 23 30 5 12 19 26 1 8 15 22 29 4 11 18 25 ` 可以发现元素索引值完美的散列在数组当中，并没有出现冲突。 ### ThreadLocalMap 除了上述属性外，还有一个重要的属性 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类，当一个线程有多个 ThreadLocal 时，需要一个容器来管理多个 ThreadLocal，ThreadLocalMap 的作用就是管理线程中多个 ThreadLocal，源码如下： ``` static class ThreadLocalMap { /** * 键值对实体的存储结构 */ static class Entry extends WeakReference> { // 当前线程关联的 value，这个 value 并没有用弱引用追踪 Object value; /** * 构造键值对 * * @param k k 作 key,作为 key 的 ThreadLocal 会被包装为一个弱引用 * @param v v 作 value */ Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { super(k); value = v; } } // 初始容量，必须为 2 的幂 private static final int INITIAL_CAPACITY = 16; // 存储 ThreadLocal 的键值对实体数组，长度必须为 2 的幂 private Entry[] table; // ThreadLocalMap 元素数量 private int size = 0; // 扩容的阈值，默认是数组大小的三分之二 private int threshold; } ``` 从源码中看到 ThreadLocalMap 其实就是一个简单的 Map 结构，底层是数组，有初始化大小，也有扩容阈值大小，数组的元素是 Entry，**Entry 的 key 就是 ThreadLocal 的引用，value 是 ThreadLocal 的值**。ThreadLocalMap 解决 hash 冲突的方式采用的是**线性探测法**，如果发生冲突会继续寻找下一个空的位置。 这样的就有可能会发生内存泄漏的问题，下面让我们进行分析： ### ThreadLocal 内存泄漏 ThreadLocal 在没有外部强引用时，发生 GC 时会被回收，那么 ThreadLocalMap 中保存的 key 值就变成了 null，而 Entry 又被 threadLocalMap 对象引用，threadLocalMap 对象又被 Thread 对象所引用，那么当 Thread 一直不终结的话，value 对象就会一直存在于内存中，也就导致了内存泄漏，直至 Thread 被销毁后，才会被回收。 那么如何避免内存泄漏呢？ 在使用完 ThreadLocal 变量后，需要我们手动 remove 掉，防止 ThreadLocalMap 中 Entry 一直保持对 value 的强引用，导致 value 不能被回收，其中 remove 源码如下所示： ``` /** * 清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对 */ public void remove() { // 返回当前线程持有的 map ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread()); if (m != null) { // 从 map 中清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对 m.remove(this); } } ``` remove 方法的时序图如下所示：  remove 方法是先获取到当前线程的 ThreadLocalMap，并且调用了它的 remove 方法，从 map 中清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对，这样 value 就可以被 GC 回收了。 那么 ThreadLocal 是如何实现线程隔离的呢？ ### ThreadLocal 的 set 方法 我们先去看下 ThreadLocal 的 set 方法，源码如下： ``` /** * 为当前 ThreadLocal 对象关联 value 值 * * @param value 要存储在此线程的线程副本的值 */ public void set(T value) { // 返回当前ThreadLocal所在的线程 Thread t = Thread.currentThread(); // 返回当前线程持有的map ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { // 如果 ThreadLocalMap 不为空，则直接存储键值对 map.set(this, value); } else { // 否则，需要为当前线程初始化 ThreadLocalMap，并存储键值对 createMap(t, value); } } ``` set 方法的作用是把我们想要存储的 value 给保存进去。set 方法的流程主要是： - 先获取到当前线程的引用 - 利用这个引用来获取到 ThreadLocalMap - 如果 map 为空，则去创建一个 ThreadLocalMap - 如果 map 不为空，就利用 ThreadLocalMap 的 set 方法将 value 添加到 map 中 set 方法的时序图如下所示：  其中 map 就是我们上面讲到的 ThreadLocalMap，可以看到它是通过当前线程对象获取到的 ThreadLocalMap，接下来我们看 getMap方法的源代码： ``` /** * 返回当前线程 thread 持有的 ThreadLocalMap * * @param t 当前线程 * @return ThreadLocalMap */ ThreadLocalMap getMap(Thread t) { return t.threadLocals; } ``` getMap 方法的作用主要是获取当前线程内的 ThreadLocalMap 对象，原来这个 ThreadLocalMap 是线程的一个属性，下面让我们看看 Thread 中的相关代码： ``` /** * ThreadLocal 的 ThreadLocalMap 是线程的一个属性，所以在多线程环境下 threadLocals 是线程安全的 */ ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null; ``` 可以看出每个线程都有 ThreadLocalMap 对象，被命名为 `threadLocals`，默认为 null，所以每个线程的 ThreadLocals 都是隔离独享的。 调用 ThreadLocalMap.set() 时，会把当前 `threadLocal` 对象作为 key，想要保存的对象作为 value，存入 map。 其中 ThreadLocalMap.set() 的源码如下： ``` /** * 在 map 中存储键值对 * * @param key threadLocal * @param value 要设置的 value 值 */ private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) { Entry[] tab = table; int len = tab.length; // 计算 key 在数组中的下标 int i = key.threadLocalHashCode & (len - 1); // 遍历一段连续的元素，以查找匹配的 ThreadLocal 对象 for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) { // 获取该哈希值处的ThreadLocal对象 ThreadLocal<?> k = e.get(); // 键值ThreadLocal匹配，直接更改map中的value if (k == key) { e.value = value; return; } // 若 key 是 null，说明 ThreadLocal 被清理了，直接替换掉 if (k == null) { replaceStaleEntry(key, value, i); return; } } // 直到遇见了空槽也没找到匹配的ThreadLocal对象，那么在此空槽处安排ThreadLocal对象和缓存的value tab[i] = new Entry(key, value); int sz = ++size; // 如果没有元素被清理，那么就要检查当前元素数量是否超过了容量阙值(数组大小的三分之二)，以便决定是否扩容 if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) { // 扩容的过程也是对所有的 key 重新哈希的过程 rehash(); } } ``` 相信到这里，大家应该对 Thread、ThreadLocal 以及 ThreadLocalMap 的关系有了进一步的理解，下图为三者之间的关系：  ### ThreadLocal 的 get 方法 了解完 set 方法后，让我们看下 get 方法，源码如下： ``` /** * 返回当前 ThreadLocal 对象关联的值 * * @return */ public T get() { // 返回当前 ThreadLocal 所在的线程 Thread t = Thread.currentThread(); // 从线程中拿到 ThreadLocalMap ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { // 从 map 中拿到 entry ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); // 如果不为空，读取当前 ThreadLocal 中保存的值 if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T) e.value; return result; } } // 若 map 为空，则对当前线程的 ThreadLocal 进行初始化，最后返回当前的 ThreadLocal 对象关联的初值，即 value return setInitialValue(); } ``` get 方法的主要流程为： - 先获取到当前线程的引用 - 获取当前线程内部的 ThreadLocalMap - 如果 map 存在，则获取当前 ThreadLocal 对应的 value 值 - 如果 map 不存在或者找不到 value 值，则调用 setInitialValue() 进行初始化 get 方法的时序图如下所示：  其中每个 Thread 的 ThreadLocalMap 以 `threadLocal` 作为 key，保存自己线程的 `value` 副本，也就是保存在每个线程中，并没有保存在 ThreadLocal 对象中。 其中 ThreadLocalMap.getEntry() 方法的源码如下： ``` /** * 返回 key 关联的键值对实体 * * @param key threadLocal * @return */ private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1); Entry e = table[i]; // 若 e 不为空，并且 e 的 ThreadLocal 的内存地址和 key 相同，直接返回 if (e != null && e.get() == key) { return e; } else { // 从 i 开始向后遍历找到键值对实体 return getEntryAfterMiss(key, i, e); } } ``` ### ThreadLocalMap 的 resize 方法 当 ThreadLocalMap 中的 ThreadLocal 的个数超过容量阈值时，ThreadLocalMap 就要开始扩容了，我们一起来看下 resize 的源代码： ``` /** * 扩容，重新计算索引，标记垃圾值，方便 GC 回收 */ private void resize() { Entry[] oldTab = table; int oldLen = oldTab.length; int newLen = oldLen * 2; // 新建一个数组，按照2倍长度扩容 Entry[] newTab = new Entry[newLen]; int count = 0; // 将旧数组的值拷贝到新数组上 for (int j = 0; j < oldLen; ++j) { Entry e = oldTab[j]; if (e != null) { ThreadLocal<?> k = e.get(); // 若有垃圾值，则标记清理该元素的引用，以便GC回收 if (k == null) { e.value = null; } else { // 计算 ThreadLocal 在新数组中的位置 int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1); // 如果发生冲突，使用线性探测往后寻找合适的位置 while (newTab[h] != null) { h = nextIndex(h, newLen); } newTab[h] = e; count++; } } } // 设置新的扩容阈值，为数组长度的三分之二 setThreshold(newLen); size = count; table = newTab; } ``` resize 方法主要是进行扩容，同时会将垃圾值标记方便 GC 回收，扩容后数组大小是原来数组的两倍。 ## ThreadLocal 应用场景 ThreadLocal 的特性也导致了应用场景比较广泛，主要的应用场景如下： - 线程间数据隔离，各线程的 ThreadLocal 互不影响 - 方便同一个线程使用某一对象，避免不必要的参数传递 - 全链路追踪中的 traceId 或者流程引擎中上下文的传递一般采用 ThreadLocal - Spring 事务管理器采用了 ThreadLocal - Spring MVC 的 RequestContextHolder 的实现使用了 ThreadLocal # 总结 本文主要从源码的角度解析了 ThreadLocal，并分析了发生内存泄漏的原因，最后对它的应用场景进行了简单介绍。 欢迎留言交流讨论，原创不易，觉得文章不错，请在看转发支持一下。 更详细的源码解析可以点击链接查看：https://github.com/wupeixuan/JDKSourceCode1.8 > 参考 > > 《Java并发编程实战》 > > https://www.javaspecialists.eu/archive/Issue164.html > > https://mp.weixin.qq.com/s/vURwBPgVuv4yGT1PeEHxZQ > > Java并发编程学习宝典 > > 面试官系统精讲Java源码及大厂真题 > > Java 并发面试 78 讲