并发编程之：ThreadLocal

大家好，我是小黑，一个在互联网苟且偷生的农民工。

从前上一期【并发编程之：synchronized】 我们学到要保证在并发情况下对于共享资源的安全访问，就需要用到锁。

但是，加锁通常情况下会让运行效率降低，那有什么办法可以彻底避免对共享资源的竞争，同时又可以不影响效率呢？答案就是小黑今天要和大家讲的ThreadLocal。

ThreadLocal是什么？

该类提供了线程局部 (thread-local) 变量。这些变量不同于它们的普通对应物，因为访问某个变量（通过其 get 或 set 方法）的每个线程都有自己的局部变量，它独立于变量的初始化副本。ThreadLocal 实例通常是类中的 private static 字段，它们希望将状态与某一个线程（例如，用户 ID 或事务 ID）相关联。

以上来源官方API。大概可以总结为两点：

1. ThreadLocal提供get/set方法，可以访问属于当前线程的变量，也就是可以保证每个线程的变量不一样。
2. ThreadLocal使用时通常定义为private static的。

从字面意思理解，可能会将ThreadLocal认为是本地线程，其实ThreadLocal并不是线程，而是线程Thread的局部变量。

如何使用

首先，定义一个private static的ThreadLocal对象。

private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

然后每个线程可以将当前线程需要存放在局部变量中，并且可以从中获取。

public void setAndGet(String name) {
    threadLocal.set(name);
    String s = threadLocal.get();
}

最后在使用完之后，需要将ThreadLocal中的值移除。

public void remove() {
    threadLocal.remove();
}

原理

那么ThreadLocal是如何做到保证每个线程get出来的数据不一样的呢？我们通过源码来看一下。

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 通过当前线程获取出来一个ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

我们发现在set方法中，会创建一个ThreadLocalMap，然后将要设置的值放在这个Map中，而当前这个ThreadLocal对象作为key；

然后再将这个ThreadLocalMap赋值给Thread的threadLocals里。如果去看Thread类的代码会发现，在Thread类中存在两个变量threadLocals和inheritableThreadLocals，它们的类型就是ThreadLocal.ThreadLocalMap。通过下图可以看出Thread，ThreadLocal，ThreadLocalMap三者的关系。

这时候我们再看看get()和remove()方法的代码。

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

可以看出来，和我们上面图中的结构一样，get()方法就是从Thread中取出来ThreadLocalMap，然后通过ThreadLocal对象作为Key取出值；remove()方法则是取出ThreadLocalMap将ThreadLocal对应的数据移除。

那么ThreadLocalMap到底是什么呢？是java.util.Map接口的子类吗？我们来看源码。

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;
        }
    }
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    private Entry[] table;
    private int size = 0;
    private int threshold; // Default to 0
    // 省略其他代码
}

通过源码发现，ThreadLocalMap并没有实现Map接口，也没有集成其他任何的Map类。是定义在ThreadLocal类中的一个静态内部类。而它的结构和HashMap结构极其相似。有一个Entry[]数组存放数据。而这个Entry类是继承自WeakReference类的子类，这一点和HashMap有所不同。

ThreadLocalMap和HashMap结构有很多不同，但是还有一点和HashMap不一样，我们来看一下ThreadLocalMap的set方法。

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 计算key对应放在tab中的下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    //循环遍历tab,首先获取到下标i对应的对象，如果不为空,则执行循环体
    // 如果不是相同的threadLocal或者位置失效，则要寻找下一个位置。
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
	    // 判断与当前ThreadLocal是否是同一个对象，如果是则进行值替换，结束
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
		// 如果k==null代表threadLocal的key失效了，将失效的key进行替换
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

代码中循环遍历tab,首先获取到下标i对应的对象，如果不为空,则执行循环体，如果在循环体中的两个条件都不满足，则会执行nextIndex()方法，这个方法的代码如下：

private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

这个方法的逻辑就是开放寻址法。而HashMap则是通过拉链法和rehash来做的。

哪些场景使用

通过上面的内容基本可以掌握ThreadLocal的基本用法，那么ThreadLocal主要在什么场景中使用呢。

ThreadLocal的作用通过以上了解我们知道主要是用来做线程间数据隔离。那么在什么场景下能用到线程隔离呢？

首先想到的就是SimpleDateFormat这个工具类，它不是线程安全的，可以通过ThreadLocal在每个线程中放一份，保证线程安全。

还有比如说用户登录的session，或者token数据，只数据当前会话线程，也可以通过ThreadLocal存储。

再比如在某些场景下，上下文数据在不同方法之间调用，传递起来非常麻烦，可以通过ThreadLocal存放，只需要在需要用到的地方获取就可以。

除了这些场景，在某些框架源码中也会使用到，比如Spring中的事务也主要是通过ThreadLocal和面向切面编程AOP实现的，感兴趣的同学可以查看源码了解。

避免踩坑

内存泄漏

ThreadLocalMap中的Entry的Key是一个弱引用，因此如果在使用后不调用remove方法清除掉会导致对应的value内存泄漏。所以在使用完以后一定要记得调用remove方法清除数据。

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好的，今天的内容就到这里，我们下期再见。
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