ThreadLocal深度解析和应用示例

开篇明意

　　ThreadLocal是JDK包提供的线程本地变量，如果创建了ThreadLocal<T>变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个副本，在实际多线程操作的时候，操作的是自己本地内存中的变量，从而规避了线程安全问题。

　　ThreadLocal很容易让人望文生义，想当然地认为是一个“本地线程”。其实，ThreadLocal并不是一个Thread，而是Thread的一个局部变量，也许把它命名ThreadLocalVariable更容易让人理解一些。

　　来看看官方的定义：这个类提供线程局部变量。这些变量与正常的变量不同，每个线程访问一个(通过它的get或set方法)都有它自己的、独立初始化的变量副本。ThreadLocal实例通常是类中的私有静态字段，希望将状态与线程关联(例如，用户ID或事务ID)。

源码解析

　　1.核心方法之   set(T t)

    /**
     * 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);
    }

解析：

　　当调用ThreadLocal的set(T t)的时候，代码首先会获取当前线程的 ThreadLocalMap（ThreadLocal中的静态内部类，同时也作为Thread的成员变量存在，后面会进一步了解ThreadLocalMap），如果ThreadLocalMap存在，将ThreadLocal作为map的key，要保存的值作为value来put进map中（如果map不存在就先创建map，然后再进行put）；

　　2.核心方法值 get()

/**
     * Returns the value in the current thread's copy of this
     * thread-local variable.  If the variable has no value for the
     * current thread, it is first initialized to the value returned
     * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
     *
     * @return the current thread's value of this thread-local
     */
    public T get() {
       Thread t = Thread.currentThread();
       ThreadLocalMap map = getMap(t);        //此处和set方法一致，也是通过当前线程获取对应的成员变量ThreadLocalMap，map中存放的是Entry(ThreadLocalMap的内部类（继承了弱引用）)
　　　　if (map != null) {
　　　　　　ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
　　　　　　if (e != null) { 
　　　　　　　 @SuppressWarnings("unchecked")
　　　　　　 　T result = (T)e.value; 
　　　　　　　　return result;
　　　　　　}
　　　　} 
　　　 return setInitialValue(); 
    }

解析：

　　刚才把对象放到set到map中，现在根据key将其取出来，值得注意的是这里的map里面存的可不是键值对，而是继承了WeakReference<ThreadLocal<?>> 的Entry对象，关于ThreadLocalMap.Entry类，后面会有更加详尽的讲述。

核心方法之  remove()

    /**
     * Removes the current thread's value for this thread-local
     * variable.  If this thread-local variable is subsequently
     * {@linkplain #get read} by the current thread, its value will be
     * reinitialized by invoking its {@link #initialValue} method,
     * unless its value is {@linkplain #set set} by the current thread
     * in the interim.  This may result in multiple invocations of the
     * {@code initialValue} method in the current thread.
     *
     * @since 1.5
     */
     public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
     }

解析：

　　通过getMap方法获取Thread中的成员变量ThreadLocalMap，在map中移除对应的ThreadLocal，由于ThreadLocal（key）是一种弱引用，弱引用中key为空，gc会回收变量value，看一下核心的m.remove(this);方法

        /**
         * Remove the entry for key.
         */
        private void remove(ThreadLocal<?> key) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1); //定义Entry在数组中的标号
            for (Entry e = tab[i];              //通过循环的方式remove掉Thread中所有的Entry
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {   
                if (e.get() == key) {
                    e.clear();
                    expungeStaleEntry(i);
                    return;
                }
            }
        } 

灵魂提问

　　问：threadlocal是做什么用的，用在哪些场景当中？　　

　　　　结合官方对ThreadLocal类的定义，threadLocal主要满足某些变量或者示例是线程隔离的，但是在相同线程的多个类或者方法中都能使用的到，并且当线程结束时该变量也应该销毁。通俗点讲：ThreadLocal保证每个线程有自己的数据副本，当线程结束后可　　以独立回收。由于ThreadLocal的特性，同一线程在某地方进行设置，在随后的任意地方都可以获取到。从而可以用来保存线程上下文信息。常用的比如每个请求怎么把一串后续关联起来，就可以用ThreadLocal进行set，在后续的任意需要记录日志的方法里面进行get获取到请求id，从而把整个请求串起来。

　　　　使用场景有很多，比如：

• 基于用户请求线程的数据隔离（每次请求都绑定userId，userId的值存在于ThreadLoca中）
• 跟踪一个请求，从接收请求，处理到返回的整个流程，有没有好的办法   思考：微服务中的链路追踪是否利用了ThreadLocal特性
• 数据库的读写分离
• 还有比如Spring的事务管理，用ThreadLocal存储Connection，从而各个DAO可以获取同一Connection，可以进行事务回滚，提交等操作。

 

　　问：如果我启动另外一个线程。那么在主线程设置的Threadlocal值能被子线程拿到吗?

　　　　原始的ThreadLocal是不具有继承(或者说传递)特性的

 

　　问：那该如何解决ThreadLocal无法传递的问题呢？

　　　　用ThreadLocal的子类 InheritableThreadLocal，InheritableThreadLocal是具有传递性的

　　/**
　　* 重写Threadlocal类中的getMap方法，在原Threadlocal中是返回
　　* t.theadLocals，而在这么却是返回了inheritableThreadLocals，因为
　　* Thread类中也有一个要保存父子传递的变量
　　*/
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
       return t.inheritableThreadLocals;
    }

    /**
     * 同理，在创建ThreadLocalMap的时候不是给t.threadlocal赋值
     *而是给inheritableThreadLocals变量赋值
     * 
     */

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

解析：因为InheritableThreadLocal重写了ThreadLocal中的getMap 和createMap方法，这两个方法维护的是Thread中的另外一个成员变量  inheritableThreadLocals，线程在创建的时候回复制inheritableThreadLocals中的值 ；

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
　　//Thread类中维护的成员变量,ThreadLocal会维护该变量

    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    /*
     * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
     * maintained by the InheritableThreadLocal class.
     */
//Thread中维护的成员变量 ，InheritableThreadLocal 中维护该变量

ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

//Thread init方法中的关键代码，简单来说是将父类中inheritableThreadLocals中的值拷贝到当前线程的inheritableThreadLocals中（浅拷贝，拷贝的是value的地址引用）

 if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null) this.inheritableThreadLocals = ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);

总结

• ThreadLocal类封装了getMap()、Set()、Get()、Remove()4个核心方法。
• 通过getMap()获取每个子线程Thread持有自己的ThreadLocalMap实例, 因此它们是不存在并发竞争的。可以理解为每个线程有自己的变量副本。
• ThreadLocalMap中Entry[]数组存储数据，初始化长度16，后续每次都是1.5倍扩容。主线程中定义了几个ThreadLocal变量，Entry[]才有几个key。
• Entry的key是对ThreadLocal的弱引用，当抛弃掉ThreadLocal对象时，垃圾收集器会忽略这个key的引用而清理掉ThreadLocal对象， 防止了内存泄漏。

　　　　tips：上面四个总结来源于其他技术博客，个人认为总结的比较合理所以直接摘抄过来了

拓展：

　　ThreadLocal在线程池中使用容易发生的问题： 内存泄漏，先看下图

　　

　　每个thread中都存在一个map, map的类型是ThreadLocal.ThreadLocalMap. Map中的key为一个threadlocal实例. 这个Map的确使用了弱引用,不过弱引用只是针对key. 每个key都弱引用指向threadlocal. 当把threadlocal实例置为null以后,没有任何强引用指向threadlocal实例,所以threadlocal将会被gc回收. 但是,我们的value却不能回收,因为存在一条从current thread连接过来的强引用. 只有当前thread结束以后, current thread就不会存在栈中,强引用断开, Current Thread, Map, value将全部被GC回收.

　　所以得出一个结论就是只要这个线程对象被gc回收，就不会出现内存泄露，但在threadLocal设为null和线程结束这段时间不会被回收的，就发生了我们认为的内存泄露。其实这是一个对概念理解的不一致，也没什么好争论的。最要命的是线程对象不被回收的情况，这就发生了真正意义上的内存泄露。比如使用线程池的时候，线程结束是不会销毁的，会再次使用的。就可能出现内存泄露。　　

　　PS.Java为了最小化减少内存泄露的可能性和影响，在ThreadLocal的get,set的时候都会清除线程Map里所有key为null的value。所以最怕的情况就是，threadLocal对象设null了，开始发生“内存泄露”，然后使用线程池，这个线程结束，线程放回线程池中不销毁，这个线程一直不被使用，或者分配使用了又不再调用get,set方法，那么这个期间就会发生真正的内存泄露。 

1. JVM利用设置ThreadLocalMap的Key为弱引用，来避免内存泄露。
2. JVM利用调用remove、get、set方法的时候，回收弱引用。
3. 当ThreadLocal存储很多Key为null的Entry的时候，而不再去调用remove、get、set方法，那么将导致内存泄漏。
4. 当使用static ThreadLocal的时候，延长ThreadLocal的生命周期，那也可能导致内存泄漏。因为，static变量在类未加载的时候，它就已经加载，当线程结束的时候，static变量不一定会回收。那么，比起普通成员变量使用的时候才加载，static的生命周期加长将更容易导致内存泄漏危机。
   

　　参考链接：https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8991010.html

在线程池中使用ThreadLocal

通过上面的分析可以知道InheritableThreadLocal是通过Thread()的inint方法实现父子之间的传递的，但是线程池是统一创建线程并实现复用的，这样就好导致下面的问题发生：

• 　　线程不会销毁，ThreadLocal也不会被销毁，这样会导致ThreadLoca会随着Thread的复用而复用
• 　　子线程无法通过InheritableThreadLocal实现传递性（因为没有单独的调用Thread的Init方法进行map的复制），子线程中get到的是null或者是其他线程复用的错乱值（疑问点还没搞清楚原因，后续补充：:在异步线程中会出现null的情况，同步线程不会出现）     

　　　　ps:线程池中的线程是什么时候创建的？

　　解决方案：

　　　　下面两个链接有详细的说明，我就不重复写了，后续我会将本文进一般优化并添加一些例子来帮助说明，欢迎收藏，关于本文有不同的意见欢迎评论指正……

　　　　https://blog.csdn.net/hanziyuan08/article/details/78190863

　　　　https://www.cnblogs.com/sweetchildomine/p/8807059.html