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  • ThreadLocal 源码分析

    1、ThreadLocal 源码分析

    1. 在多线程开发中,我们经常会使用ThreadLocal来避免共享变量的竞争,提高效率。ThreadLocal底层到底是怎么实现的呢,今天就带大家一起来看看它底层实现。另外也会随便分析下网上讨论比较多的关于ThreadLocal内存泄漏等等究竟是怎么一回事

      我本地的jdk版本是11.0.8,不同版本的jdk,threadLocal源码实现可能有差别,不过大致是一样的。

    2. 首先看下我们一般都是怎么使用ThreadLocal的

    ​ 这是一段使用threadLocal的demo代码

    public class ThreadLocalDemo {
        public final static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>() {
            @Override
            protected String initialValue() {
                return "initValue";
            }
        };
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(() -> {
                System.out.println("init Value =" + threadLocal.get());
                threadLocal.set("abc");
                System.out.println("执行其他逻辑");
                String str = threadLocal.get();
                System.out.println(str);
                threadLocal.remove();
            }).start();
            Thread.currentThread().join();
        }
    }
    

    ​ 这段代码比较简单,不用具体说threadLocal的这些方法都是干啥的了。我们直接顺着main方法里面的调用顺序一起去看看这些调用背后都是怎么实现的。

    • 如果直接把类的源码粘上来,做分析,感觉太零散了,看不到方法之间的调用关系,所以,这次就准备按照调用逻辑,一步一步来分析了


    • 首先我们main方法是在第11行调用了threadLocal.get(),这是我们第一次主动调用threadLocal的地方,那我们先从这里进去

        
    //这就是ThreadLocal的get方法了,我们泛型参数是String,所以这里的T也就是String了,下面我们一行一行根据我们上面的Demo来分析下这个代码
        public T get() {
            //这一行就不用说了,Thread.currentThread()就是获取当前线程
            Thread t = Thread.currentThread();
            
            //getMap(t)这行是干什么呢?我们这个方法的代码比较简单,我就直接粘贴到下面了 
            
        	//ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
            //	return t.threadLocals;
        	//}
            //上面这3行就是getMap(t)调用的代码了,比较简单,获取线程t上的threadLocals属性,这个属性是什么东西呢?我们再看看这个属性
            
            //ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
            //上面这一行就是在Thread类中定义的threadLocals属性了,看样子是ThreadLocal类中的内部类ThreadLocalMap的一个实例,具体是啥,我们先不仔细看了,继续看后面代码吧  
            ThreadLocalMap map = getMap(t);
            
            //这里返回的map当前是null,因为Thread的threadLocals,从来没有初始化过
            if (map != null) {
                ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
                if (e != null) {
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    T result = (T)e.value;
                    return result;
                }
            }
            //因为map==null,所以会调用到这个setInitialValue这个方法,从这里返回,我们继续看看这个方法吧
            return setInitialValue();
        }
    
    
    	
        private T setInitialValue() {
            //这里的initialValue方法是protected的,默认返回null,由于我们上面Demo第4行重写了initialValue方法,所以这里的调用就是我们上面的代码,这里的返回应该是上面我们Demo第5行的"initValue"
            T value = initialValue();
            //这几行代码和上面get方法是一致的
            Thread t = Thread.currentThread();
            ThreadLocalMap map = getMap(t);
            //map==null
            if (map != null) {
                map.set(this, value);
            } else {
                //会走到这里来,我们去这个createMap方法看看
                createMap(t, value);
            }
            //这里的this是通过匿名继承的ThreadLocal的,不会走到这个instanceof内部去
            if (this instanceof TerminatingThreadLocal) {
                TerminatingThreadLocal.register((TerminatingThreadLocal<?>) this);
            }
            //我们上面的Demo第4行的threadLocal.get()调用最终就会从这里返回,返回值是"initValue"
            return value;
        }
    
    	//这里就是初始化Thread的threadLocals属性了,后面这个属性就不是null了,这里创建了个ThreadLocalMap对象,有两个参数,第一个this就是我们Demo中调用threadLocal.get()方法的对象,也就是Demo第4行的threadLocal对象,firstValue就是上面的字符串"initValue"。
    //我们进到ThreadLocalMap构造方法去看看
        void createMap(Thread t, T firstValue) {
            t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
        }
    
    //
            ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
            //这里首先会创建一个Entry的数组,INITIAL_CAPACITY = 16;也就是这里创建一个大小是16的Entry数组,Entry是啥,我们下面再看,先看看这个构造方法的其他几行代码
                table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
                //threadLocalHashCode是ThreadLocal的成员变量,
                
                // private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
                //上面是它的定义,从上面可以看到每次创建ThreadLocal对象时就会初始化threadLocalHashCode,它的值是通过静态方法nextHashCode()赋值的,每调用一次nextHashCode返回值就在上次的基础上增加0x61c88647。
                //这里的i就是threadLocalHashCode的值和(INITIAL_CAPACITY - 1)进行与运算,这里的(INITIAL_CAPACITY - 1)值是15,计算结果在0-15之间,作为数组的下标
                int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
                //这里创建个Entry对象,赋值给table中下标为i的
                table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
                //这里的size是table数组中元素的个数
                size = 1;
                //这里是设置threshold = len * 2 / 3;当size的值超过threshold时,table数组就会扩容成原来数组的2倍
                setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
            }
    
    //这里我们看看Entry对象
    //这就是Entry的源码了,更简单。继承了WeakReference对象,这里会把构造方法的ThreadLocal入参包装成弱引用。具体啥是弱引用,下面粘贴上一段《深入理解java虚拟机》上面的描述。放到我们这里来说,就是ThreadLocal变量在没有其他地方引用(只有在Entry这里有引用),当下次垃圾回收的时候,就会被回收掉
            static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
                /** The value associated with this ThreadLocal. */
                Object value;
    			//
                Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                    super(k);
                    value = v;
                }
            }
    
    

    下面是《深入理解java虚拟机》上面的关于引用的描述


    到这里上面Demo第4行的源码就全部看完了,下面简单总结下执行逻辑。

    1. 首先进入ThreadLocal的get方法,获取当前线程的threadLocals变量,我们这个变量没有初始化过,所以这个变量为空,继续执行setInitialValue()方法,并从这里返回
    2. 在setInitialValue方法中首先调用我们Demo中重写ThreadLocal的initialValue方法,获取返回值。
    3. 继续调用createMap方法,
      • 创建ThreadLocalMap对象,内部创建Entry数组,将threadLocal对象包装成弱引用及initialValue方法的返回值创建Entry对象,填充到Entry数组数组中
      • 将创建的ThreadLocalMap对象赋值给当前线程的threadLocals变量
    4. 将2中获取的值返回

    现在我们看下Demo中的第12行threadLocal.set("abc")

    //这就是ThreadLocal的set方法了,和get方法差不多
        public void set(T value) {
            //获取当前线程
            Thread t = Thread.currentThread();
            //获取当前线程的threadLocals的属性,在上面get方法已经设置过这个属性了 ,所以这里不为空了
            ThreadLocalMap map = getMap(t);
            if (map != null) {
                //map不为null,就会走到这里了,这里的this就是我们Demo中继承ThreadLocal的匿名内部类,value就是"abc",下面我们重点去看下这个方法
                map.set(this, value);
            } else {
                createMap(t, value);
            }
        }
    
       
       //这个方法是ThreadLocal的内部类ThreadLocalMap的。
       private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    
                // We don't use a fast path as with get() because it is at
                // least as common to use set() to create new entries as
                // it is to replace existing ones, in which case, a fast
                // path would fail more often than not.
    			//这个是ThreadLocalMap构造方法创建的table,是Entry数组
                Entry[] tab = table;
                int len = tab.length;
           		//这个是获取根据key计算在数组中的下标,考虑到有可能两个key计算出来的是同一个i,所以数组中下标i不一定就是我们需要的key,会从当前i的下标向后遍历。同样根据key获取值的时候,也会有类似情况
                int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    			//获取下标i的值Entry,进行遍历,直到entry.key==我们的入参key或者entry==null或者entry.key==null(这个场景就是key其他地方没有引用了,只有Entry有对应的弱引用,在下次垃圾回收后,entry.key就会==null)的情况下,结束循环
           
           //注意:这里不会出现数组中所有下标都满了,且entry.k!=key的场景,因为下面的后面会判断size>=threshold,进行扩容
                for (Entry e = tab[i];
                     e != null;
                     //考虑到可能会有冲突,也就是上面说的两个key计算出来的是同一个i,所以key有可能不存在对应下标i的位置
                     //nextIndex(i, len)向后获取下一个位置是循环的,如果达到i==len-1;这时i=0;就会从数组头元素开始,后面几个方法说的向前遍历,向后遍历都是类似的
                     e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                    //获取Entry中的key,这里是个弱引用,通过get方法获取弱引用的实际对象。
                    ThreadLocal<?> k = e.get();
    				//找到了对应的key,就设置新值,返回
                    if (k == key) {
                        e.value = value;
                        return;
                    }
    				//k==null,这个场景说了,就是外部没有对ThreadLocal对象的其他引用了(强引用),GC释放后,k就是null,jiu就会走到这里
                    if (k == null) {
                        //这个方法会从当前下标i开始,删除过期的entry,重新设置新的Entry到i的位置
                        replaceStaleEntry(key, value, i);
                        return;
                    }
                }
    			//走到这里,这时下标i对应的Entry已经是null了
                tab[i] = new Entry(key, value);
           		//数组中元素个数+1
                int sz = ++size;
           		//这里会移除一些过期的entry,判断sz>= threshold,如果成立,就扩容数组
                if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                    rehash();
            }
    
    
    
    //这个方法主要是
    
     private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
                                           int staleSlot) {
         //这里的for循环都不会陷入死循环,因为上面有 sz >= threshold
         	//获取Entry数组
                Entry[] tab = table;
                int len = tab.length;
                Entry e;
    
                // Back up to check for prior stale entry in current run.
                // We clean out whole runs at a time to avoid continual
                // incremental rehashing due to garbage collector freeing
                // up refs in bunches (i.e., whenever the collector runs).
                int slotToExpunge = staleSlot;
         //从当前入参staleSlot开始向前遍历,直到下标i对应的Entry==null
                for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
                     (e = tab[i]) != null;
                     i = prevIndex(i, len))
                    //随着i向前遍历,slotToExpunge的值会逐步更新,直到staleSlot和它之前第一个tab[i]==null之间,e.get()==null的下标,如果threadLocal对象外部一直有引用,那e.get()==null,就不会为null,也不会走到这个if分支
                    if (e.get() == null)
                        slotToExpunge = i;
    
                // Find either the key or trailing null slot of run, whichever
                // occurs first
         //从当前入参staleSlot开始向后遍历,直到下标i对应的Entry==null
                for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
                     (e = tab[i]) != null;
                     i = nextIndex(i, len)) {
                    //获取到对应的Entry的threaLocal变量
                    ThreadLocal<?> k = e.get();
    
                    // If we find key, then we need to swap it
                    // with the stale entry to maintain hash table order.
                    // The newly stale slot, or any other stale slot
                    // encountered above it, can then be sent to expungeStaleEntry
                    // to remove or rehash all of the other entries in run.
                    //如果k==key,这时就是更新value就可以了
                    if (k == key) {
                        e.value = value;
    					//这里会进行元素交换,把找到的Entry换到入参staleSlot的位置
                        //注意当前staleSlot元素位置是过期的,需要清理的,交换后i下标位置的元素就是需要清理的
                        tab[i] = tab[staleSlot];
                        tab[staleSlot] = e;
    
                        // Start expunge at preceding stale entry if it exists
                        //这个条件成立的话,需要第一个for循环中if分支没有进入,也就是不存在staleSlot和它之前第一个tab[i]==null之间,e.get()==null
                        if (slotToExpunge == staleSlot)
                            //走到这里说明staleSlot之前到tab[i]==null之间没有无效元素,我们上面进行了元素交换,这时i就是第一个过期的元素了
                            slotToExpunge = i;
                        //清理无效的元素,slotToExpunge就是staleSlot之前到tab[i]==null到之后到tab[i]==null这段元素之间第一个过期元素的下标位置
                        cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
                        return;
                    }
    
                    // If we didn't find stale entry on backward scan, the
                    // first stale entry seen while scanning for key is the
                    // first still present in the run.
                    //k==null说明当前数组已经有entry失效了,slotToExpunge == staleSlot说明staleSlot之前没有失效的,这时就要清理后面的过期元素
                    if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
                        slotToExpunge = i;
                }
    
                // If key not found, put new entry in stale slot
         		//入参的staleSlot下标已经个个过期的值,将value设置为null,重新赋值个新的entry
                tab[staleSlot].value = null;
                tab[staleSlot] = new Entry(key, value);
    
                // If there are any other stale entries in run, expunge them
                if (slotToExpunge != staleSlot)
                    //走到这里说明staleSlot向前遍历或者向后遍历中出现了k==null,这时需要清理过期的entry
                    cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
            }
    
    //从staleSlot位置开始,直到数组中entry==null。清理在这过程中数组过期的元素,并调整那些元素有效,但是下标位置不正确的元素位置
            private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
                Entry[] tab = table;
                int len = tab.length;
    
                // expunge entry at staleSlot
                //清空对应staleSlot对应的元素,size-1
                tab[staleSlot].value = null;
                tab[staleSlot] = null;
                size--;
    
                // Rehash until we encounter null
                Entry e;
                int i;
                //在staleSlot开始向后遍历,直到数组中entry==null
                for (i = nextIndex(staleSlot, len);
                     (e = tab[i]) != null;
                     i = nextIndex(i, len)) {
                    ThreadLocal<?> k = e.get();
                    //如果k==null,就清空元素,size-1
                    if (k == null) {
                        e.value = null;
                        tab[i] = null;
                        size--;
                    } else {
                        //h是算法计算出来元素应该在数组中的下标位置
                        int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
                        //i是元素的直接存储下标,由于碰撞的原因元组有可能不是存在算法计算出来的下标位置
                        if (h != i) {
                            //h!=i说明元素根据算法出来的下标和实际存储下标不一致,这时由于我们清空了一些过期元素,这时就需要重新调整这些有效的,算法计算出来的下标,和实际存储下标不一致的元素位置
                            tab[i] = null;
    						
                            // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                            // null because multiple entries could have been stale.
                            //从h开始向后遍历,找到数组中的null位置,将当前下标i位置上的元素设置到对应位置
                            while (tab[h] != null)
                                h = nextIndex(h, len);
                            tab[h] = e;
                        }
                    }
                }
                //这里的i就是for循环中退出条件,staleSlot开始向后遍历,数组中第一个entry==null的位置
                return i;
            }
    
    //从i开始清理无效的元素     
    //注意下标i的位置不是无效元素,要不下标i位置==null,要不是有效元素
    		private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
                boolean removed = false;
                Entry[] tab = table;
                int len = tab.length;
                do {
                    //获取i后面的位置
                    i = nextIndex(i, len);
                    Entry e = tab[i];
                    //如果i位置的元素是过期的,就执行清理
                    if (e != null && e.get() == null) {
                        n = len;
                        removed = true;
                        //这里上面说的清理过期元素,调整位置不正确的有效元素的位置
                        i = expungeStaleEntry(i);
                    }
                    //这里的n>>>=1主要是扫描次数,应该是出于效率的考虑
                } while ( (n >>>= 1) != 0);
                return removed;
            }
    
    //这就是扩容了      
    		private void rehash() {
                //这里首先清理数组中所有的过期元素,同时会调整不正确元素的下标
                expungeStaleEntries();
    
                // Use lower threshold for doubling to avoid hysteresis
                //由于我们上面会清理过期元素,所以size有可能变小,有可能就不需要扩容了,所以这里重新判断是否需要扩容,如果需要就进行扩容
                if (size >= threshold - threshold / 4)
                    resize();
            }
    
    
    //这里就是扩容了,数组长度变成原来的2倍,重新设置threshold和size
            private void resize() {
                Entry[] oldTab = table;
                int oldLen = oldTab.length;
                //长度设置成原来的2被
                int newLen = oldLen * 2;
                Entry[] newTab = new Entry[newLen];
                int count = 0;
    
                for (Entry e : oldTab) {
                    if (e != null) {
                        ThreadLocal<?> k = e.get();
                        //继续清理扩容过程中过期的元素
                        if (k == null) {
                            e.value = null; // Help the GC
                        } else {
                            //在新数组中设置元素位置
                            int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                            while (newTab[h] != null)
                                h = nextIndex(h, newLen);
                            newTab[h] = e;
                            count++;
                        }
                    }
                }
    
                setThreshold(newLen);
                size = count;
                table = newTab;
            }
    

    上面就是Demo第12行 threadLocal.set("abc")方法涉及的所有代码了 。

    下面总结下:

    1.获取当前线程的threadLocals变量,如果不存在就调用createMap(t, value),创建并设置值,我们Demo第11行threadLocal.get()就走的这里

    2.如果当前线程的threadLocals变量存在,就调用map.set(this, value)设置值

    3.在获取值的过程中首先根据调用者threadLocal对象计算出应该存储在数组中的下标,

    • 如果当前下标对应的数组元素是null,就新生成Entry元素放入数组下标i的位置,数组size+1,判断是否需要扩容,如果需要就对数组进行扩容
    • 如果当前下标对应的数组元素不是null,就获取对应位置的元素进行判断,如果entry.key == 我们调用的threalocal对象,就更新value返回。如果entry.key==null,说明元素释放了就调用replaceStaleEntry进行处理。如果这两种情况都不是,那就继续从当前下标开始向后遍历,继续判断处理

    最后看下Demo中第16行threadLocal.remove();

    //获取当前线程的threadLocals变量,如果之前调用过get,set方法,那这时这个变量就不是null了
         public void remove() {
             ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
             if (m != null) {
                 //走到这里看看移除元素的方法,这里的this,是我们方法的调用者,也就是threadLocal实例对象
                 m.remove(this);
             }
         }
    
            //这个方法就比较简单了,计算threadLocal下标,从这个位置开始向后遍历,对应元素(这里使用的是key==,所以找到的肯定是同一个对象),将Entry中引用的threadLocal对象清空,再执行清理过期元素的动作
            
            private void remove(ThreadLocal<?> key) {
                Entry[] tab = table;
                int len = tab.length;
                int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
                for (Entry e = tab[i];
                     e != null;
                     e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                    if (e.get() == key) {
                        e.clear();
                        expungeStaleEntry(i);
                        return;
                    }
                }
            }
    
    

    上面remove方法也讲完了,这个比较简单。就是找到t.threadLocals中对应的元素Entry,调用e.clear()清理掉entry引用的threadLocal变量(这时,通过e.get()获取的threadLocal元素就是null了),然后调用expungeStaleEntry执行过期元素的清理。


    2、日常使用注意

    上面就是我们日常使用threadLocal中方法的源码了 ,通过上面代码对于调用的内部细节我们也基本看到了,下面说一些日常使用过程中需要注意的地方。

    它们的结构简单画个图,就是下面的样子了

    文章开始的Demo只是一些日常使用,通过上面的源码阅读,我们其实还是可以看到一些其他的使用方式和注意地方

    • 我们一般是在多个线程中是使用同一个threadLocal对象,其实我们也可以在一个线程中使用多个threadLocal对象(同样多个线程也就可以使用多个threadLocal对象),就像下面这样
           //创建多个ThreadLocal对象
    		ThreadLocal<String> threadLocal0 = new ThreadLocal<>();
            ThreadLocal<String> threadLocal1 = new ThreadLocal<>();
            new Thread(() -> {
                //在一个线程中使用多个threadLocal对象
                //通过上面源码我们看到threadLocal对象只是用来寻找当前线程中threadLocals变量中数组的位置,并读取或者设置值。由于查找元素下标用的是==,所以无论怎么找到的都是同一个对象实例
                threadLocal0.set("th0");
                threadLocal1.set("th1");
                System.out.println(threadLocal1.get());
                System.out.println(threadLocal0.get());
            }).start();
            Thread.currentThread().join();
    
    • 内存释放相关

      上面的源码分析部分,我们看到了存储到threadLocals中Entry的threadLocal变量是弱引用了,而弱引用在下次gc的时候就会被清理,threadLocal被清理了,上面的清理过期元素的方法就会把对应Entry进行清理。但是这里有个前提,threadLocal只有弱引用的时候才会被清理,如果有强引用存在,就不会被清理。

      看下面的例子

            ThreadLocal<String> threadLocal0 = new ThreadLocal<>();
            new Thread(() -> {
             	//我们第一行定义的地方,threadLocal对象是个强引用,只要这个强引用存在,threadLocals中对应的Entry就不会被清理
                threadLocal0.set("th0");
                //这个也很好理解,如果被清理掉了,那我们这里的get方法就获取不到值了,我们见过之前set后,对应get获取不到值的情况吗,肯定没有么
                System.out.println(threadLocal0.get());
                //所以我们想要清理存放的元素Entry就需要调用threadLocal0.remove()进行清理,或者是调用 threadLocal0=null;方法,这样当前 threadLocal0就只有线程threadLocals中对应的弱引用,这时,gc才会清理掉entry.k,对应元素才会在清理元素方法中清理掉
            }).start();
            Thread.currentThread().join();
    

    另外由于ThreadLocal的操作都是基于当前线程的threadLocals变量的,如果当前线程不存在了,被清理掉了 ,只要threadLocals变量和内部Entry的key和value,如果没有其他地方进行引用,也都会被gc清理掉。

    以上就是关于ThreadLocal的全部内容了。


    另外父线程和子线程之间传递参数可以通过inheritableThreadLocals,这个变量的设置实在Thread的构造方法中,和threadLocals一样,都是ThreadLocal.ThreadLocalMap的实例。这个用的不多,这里就不说了。

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