ThreadLocal 你真的会用吗？

2019-11-17 16:03·梁自强的分享号

前言

  前几天在京东的同学给我打了个电话，聊了下家常，技术宅的我多嘴问了最近有没有学啥? 他说最近有点忙，但抽空也看了几篇博客，他说我考考你吧，我说可以啊，他问我: ThreadLocal 使用不当会导致 OOM 吗?我不假思索的回答:会。他继续追问道:为什么? 我说:因为 ThreadLocal 和操作它的线程绑定在一起，如果操作他的线程不被销毁，与之关联的 ThreadLocal 不会被 GC 。因为使用线程大多都是通过线程池来创建的，因此只要该线程活跃，就不会被线程池销毁，如果我们使用的时候忘记调用 ThreadLocal 的 remove 方法，则 ThreadLocal 保存的值无法被 GC ，如此多了就会发生 OOM 。然后他突然问了一句:为啥 Thread 里的threadLocals 属性的key是弱引用类型的? 这个之前我是不知道的。然后他给我解释了一下，这也是这篇文章的由来，好记性不如烂笔头，顺便验证一下他说的，也是对知识的巩固。

ThreadLocal

  多个线程间共享变量，可能会造成线程不安全的问题，需要加锁来实现线程安全，但是加锁会降低系统的吞吐量。
  但是有些变量就不需要线程间共享。比如数据库连接池里的连接，我们可以通过串行线程封闭技术来安全的使用连接池中的连接。一个线程A从连接池中把连接拿走，连接池保证不把该连接给别的线程，线程A同样不会把连接发布出去，用完之后返回给连接池，这样一个连接总是在一个线程中使用，不会同时被两个线程操作。线程A保存数据库连接就可以使用 ThreadLocal 来保存，可以在多个方法中获取操作数据库，用完删除即可。(生产者和消费者模式也是使用串行线程封闭技术，大家可以考虑下。)
   ThreadLocal 里的数据，其它线程无法访问，只要使用者不把数据发布出去，就可以安全操作它们。我们来看看如何一个 demo 来看下 ThreadLocal 如何使用：

public class NotThreadSafe {
 private ThreadLocal<Integer> count = ThreadLocal.withInitial(() -> Integer.MIN_VALUE);

 public void increment() {
 Integer countValue = count.get();
 countValue++;
 count.set(countValue);
 }

 public void decrement() {
 Integer countValue = count.get();
 countValue--;
 count.set(countValue);
 }

 public int getValue() {
 return count.get();
 }

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

 public static void main(String[] args) {
 NotThreadSafe notThreadSafe = new NotThreadSafe();
 new Thread(() -> {
 try {
 notThreadSafe.increment();
 System.out.println("increment i=" + notThreadSafe.getValue());
 notThreadSafe.decrement();
 System.out.println("decrement i=" + notThreadSafe.getValue());
 } finally {
 notThreadSafe.remove();
 }
 }).start();
 }
}

ThreadLocal与Thread如何绑定

  上文我说过 ThreadLocal 会与它所属的 Thread 绑定，这个绑定是什么意思呢，下面我们来看看 Thread的一处源码:

 /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
 ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

  注释 的译文：与此线程相关的ThreadLocal值。这个映射由ThreadLocal类维护。
  ThreadLocal.ThreadLocalMap 类型的 threadLocals 属性是保存与当前线程相关的ThreadLocal 实例，该map 由ThreadLocal来维护。下面我来看看 ThreadLocalMap 到底是个什么。
   先来看下官方解释：
ThreadLocalMap 是一个定制的散列映射，只适用于维护线程本地值。没有任何操作被导出到 ThreadLocal 类之外。类是包私有的，允许在类线程中声明字段。为了帮助处理非常大且长期存在的用法，哈希表条目对键使用 WeakReference 。但是，由于没有使用引用队列，所以只有在表空间不足时才会删除陈旧的条目。
   ThreadLocalMap其实就是一个散列表和HashMap差不多，只不过是定制的，只用于维护线程本地的值。为了帮助处理非常大且长期存在的用法，哈希表条目对键使用 WeakReference，现在大家比较关心这个散列表的键 对应着的是什么吧？我们来看看ThreadLocalMap 中的Entry是如何定义的：

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
 /**与ThreadLocal关联的值。*/
 Object value;
 //key 就是ThreadLocal 对象本身，而值就是大家想要保存的数据如数据库连接
 Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
 //将k置为弱引用
 super(k);
 value = v;
 }
 }

看了源码可知：ThreadLocalMap是以ThreadLocal 实例为健，用户要线程私有化的数据为值的散列表，并且健 还是弱引用类型的。
   下面我们来讲下 ThreadLocal 如何与线程关联起来的。ThreadLocal 实例在调用 set 和 get 的时候，会先获取当前线程的threadLocals 属性，判断 threadLocals 属性是否为空，若不为空则进行获取或者添加操作，否则会创建一个 ThreadLocalMap 实例赋给当前线程的属性 threadLocals；然后往里 put 一个键值对，当get 或 set 方法时健都是当前ThreadLocal实例，只不过是get时，值为ThreadLocal 中initValue方法返回的值，默认为 null ；方法为set时，则为调用者传进的实参。

ThreadLocal 的 get方法：

 public T get() { 
 Thread t = Thread.currentThread();
 //获取当前线程的 threadLocals 属性
 ThreadLocalMap map = getMap(t);
 if (map != null) {
 //若threadLocals属性不为空，以 this(当前 ThreadLocal)实例为健获取对应的值
 ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
 if (e != null) {
 //若已经设置过值或者有初始值就直接返回
 @SuppressWarnings("unchecked")
 T result = (T)e.value;
 return result;
 }
 }
 //当前线程的threadLocals属性为空或者没有设置过值时设置初始值
 return setInitialValue();
 }
 /**
 * 获取与给定线程相关联的ThreadLoal散列表 
 * @param t 当前线程
 */
 ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
 return t.threadLocals;
 }

 private T setInitialValue() {
 //调用 initialValue 获取初始值默认为 null
 T value = initialValue();
 Thread t = Thread.currentThread();
 //获取当前线程的 threadLocals 属性
 ThreadLocalMap map = getMap(t);
 if (map != null)
 //如果已经创建与当前线程关联的 ThreadLoal 散列表，则直接设值
 map.set(this, value);
 else
 //创建与当前线程相关的 ThreadLocal 散列表 并设值
 createMap(t, value);
 return value;
 }
 /**
 * 创建与当前线程关联的 ThreadLocal 散列表，
 * 并将它赋值给给定线程的 threadLocals 属性
 * @param t 当前线程
 * @param ThreadLocal散列表第一个Entry的初始值
 */
 void createMap(Thread t, T firstValue) {
 t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
 }

ThreadLocal 中的set 方法

 /**
 * 向当前线程的线程私有变量设置指定的值
 */
 public void set(T value) {
 Thread t = Thread.currentThread();
 //获取当前线程的 threadLocals 属性
 ThreadLocalMap map = getMap(t);
 if (map != null)
 //如果已经创建与当前线程关联的 ThreadLoal 散列表，则直接设值
 map.set(this, value);
 else
 //创建与当前线程相关的 ThreadLocal 散列表, 并设值
 createMap(t, value);
 }

  下面我们用一张图来概括下线程，线程私有变量以及用户定义的数据之间的关系，加深我们的理解：

线程，线程私有变量以及用户定义的数据之间的关系

上图中 Entry 中的 key 是弱引用类型的，因此用户程序使用完ThreadLocal 对象之后忘记调用 remove 方法，下一次 GC 会把只有一个弱引用的ThreadLocal 回收掉，此时 key 指向 null,则无论谁都不能访问到该key 对应的 value 对象，只要线程实例不退出就无法释放，如果value 对象占用内存很大，则可能会造成OOM。但是ThreadLocalMap 底层会对 key为 null的value进行清理。我们下一章讨论

后记

   我们讨论了ThreadLocal 如何使用其与 Thread 之间关系，下一节我们讨论下 ThreadLocalMap 的具体实现。

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