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12.ThreadLocal的那点小秘密

科技公元 后端 2023-05-30

好久不见，不知道大家新年过得怎么样？有没有痛痛快快得放松？是不是还能收到很多压岁钱？好了，话不多说，我们开始今天的主题：ThreadLocal。

我收集了4个面试中出现频率较高的关于ThreadLocal的问题：

  • 什么是ThreadLocal？什么场景下使用ThreadLocal？
  • ThreadLocal的底层是如何实现的？
  • ThreadLocal在什么情况下会出现内存泄漏？
  • 使用ThreadLocal要注意哪些内容？

我们先从一个“谣言”开始，通过分析ThreadLocal的源码，尝试纠正“谣言”带来的误解，并解答上面的问题。

流传已久的“谣言”

很多文章都在说“ThreadLocal通过拷贝共享变量的方式解决并发安全问题”，例如：

12.ThreadLocal的那点小秘密

这种说法并不准确，很容易让人误解为ThreadLocal会拷贝共享变量。来看个例子：

Java
复制代码
private static final DateFormat DATE_FORMAT = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	for (int i = 0; i < 1000; i++) {
		new Thread(() -> {
            try {
	            System.out.println(DATE_FORMAT.parse("2023-01-29"));
            } catch (ParseException e) {
	            e.printStackTrace();
	        }
	    }).start();
	}
}

我们知道，多线程并发访问同一个DateFormat实例对象会产生严重的并发安全问题，那么加入ThreadLocal是不是能解决并发安全问题呢？修改下代码：

Java
复制代码
/**  
 * 第一种写法  
 */
private static final ThreadLocal<DateFormat> DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>() {
	@Override
    protected DateFormat initialValue() {
        return DATE_FORMAT;
    }
};

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	for (int i = 0; i < 1000; i++) {
		new Thread(() -> {
            try {
	            System.out.println(DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL.get().parse("2023-01-29"));
            } catch (ParseException e) {
	            e.printStackTrace();
	        }
	    }).start();
	}
}

估计会有很多小伙伴会说：“你这么写不对！《阿里巴巴Java开发手册》中不是这么用的！”。把书中的用法搬过来：

Java
复制代码
/**  
 * 第二种写法  
 */
private static final ThreadLocal<DateFormat> DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>() {
	@Override
    protected DateFormat initialValue() {
        return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
    }
};

Tips：代码小改了一下~~

我们来看两种写法的差别：

  • 第一种写法，ThreadLocal#initialValue时使用共享变量DATE_FORMAT；
  • 第二种写法，ThreadLocal#initialValue时创建SimpleDateFormat对象。

按照“谣言”的描述，第一种写法会拷贝DATE_FORMAT的副本提供给不同的线程使用，但从结果上来看ThreadLocal并没有这么做。

有的小伙伴可能会怀疑是因为DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL线程共享导致的，但别忘了第二种写法也是线程共享的。

到这里我们应该能够猜到，第二种写法中每个线程会访问不同的SimpleDateFormat实例对象，接下来我们通过源码一探究竟。

ThreadLocal的实现

除了使用ThreadLocal#initialValue外，还可以通过ThreadLocal#set添加变量后再使用：

Java
复制代码
ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal = new ThreadLocal<>();
threadLocal.set(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd"));
System.out.println(threadLocal.get().parse("2023-01-29"));

Tips：这么写仅仅是为了展示用法~~

使用ThreadLocal非常简单，3步就可以完成：

  • 创建对象
  • 添加变量
  • 取出变量

无参构造器没什么好说的（空实现），我们从ThreadLocal#set开始。

ThreadLocal#set的实现

ThreadLocal#set的源码：

Java
复制代码
public void set(T value) {,
	Thread t = Thread.currentThread();
	
	// 获取当前线程的ThreadLocalMap
	ThreadLocalMap map = getMap(t);

	if (map != null) {
		// 添加变量
		map.set(this, value);
	} else {
		// 初始化ThreadLocalMap
		createMap(t, value);
	}
}

ThreadLocal#set的源码非常简单，但却透露出了不少重要的信息：

  • 变量存储在ThreadLocalMap中，且与当前线程有关；
  • ThreadLocalMap应该类似于Map的实现。

接着来看源码：

Java
复制代码
public class ThreadLocal<T> {
	ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
		return t.threadLocals;
	}
	
	void createMap(Thread t, T firstValue) {
		t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
	}
}

public class Thread implements Runnable {
	ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

很清晰的展示出ThreadLocalMap与Thread的关系：ThreadLocalMap是Thread的成员变量，每个Thread实例对象都拥有自己的ThreadLocalMap。

另外，还记得在关于线程你必须知道的8个问题（上）提到Thread实例对象与执行线程的关系吗？

如果从Java的层面来看，可以认为创建Thread类的实例对象就完成了线程的创建，而调用Thread.start0可以认为是操作系统层面的线程创建和启动。

可以近似的看作是：Thread实例对象≈执行线程Thread实例对象\approx执行线程Thread实例对象≈执行线程。也就是说，属于Thread实例对象的ThreadLocalMap也属于每个执行线程。

基于以上内容，我们好像得到了一个特殊的变量作用域：属于线程。

Tips：

  • 实际上属于线程也即是属于Thread实例对象，因为Thread是线程在Java中的抽象；
  • ThreadLocalMap属于线程，但不代表存储到ThreadLocalMap的变量属于线程。

ThreadLocalMap的实现

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，代码也不复杂：

Java
复制代码
public class ThreadLocal<T> {

	private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
	
	static class ThreadLocalMap {
	
		static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
		
			Object value;
			
			Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
				super(k);
				value = v;
			}
		}
		
		private Entry[] table;
		
		private int size = 0;
		
		private int threshold;
		
		private void setThreshold(int len) {
			threshold = len * 2 / 3;
		}
		
		ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
			table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
			int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
			table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
			size = 1;
			setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
		}
	}
}

仅从结构和构造方法中已经能够窥探到ThreadLocalMap的特点：

  • ThreadLocalMap底层存储结构是Entry数组；
  • 通过ThreadLocal的哈希值取模定位数组下标；
  • 构造方法添加变量时，存储的是原始变量。

很明显，ThreadLocalMap是哈希表的一种实现，ThreadLocal作为Key，我们可以将ThreadLocalMap看做是“简版”的HashMap。

Tips：

  • 本文不讨论哈希表实现中处理哈希冲突，数组扩容等问题的方式；
  • 也不需要关注ThreadLocalMap#set和ThreadLocalMap#getgetEntry的实现;
  • 与构造方法一样，ThreadLocalMap#set中存储的是原始变量。

到目前为止，无论是ThreadLocalMap#set还是ThreadLocalMap的构造方法，都是存储原始变量，没有任何拷贝副本的操作。也就是说，想要通过ThreadLocal实现变量在线程间的隔离，就需要手动为每个线程创建自己的变量。

ThreadLocal#get的实现

ThreadLocal#get的源码也非常简单：

Java
复制代码
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();
}

前面的部分很容易理解，我们看map == null时调用的ThreadLocal#setInitialValue方法：

Java
复制代码
private T setInitialValue() {
	T value = initialValue();
	Thread t = Thread.currentThread();
	ThreadLocalMap map = getMap(t);
	
	if (map != null) {
		map.set(this, value);
	} else {
		createMap(t, value);
	}
	
	if (this instanceof TerminatingThreadLocal) {
		TerminatingThreadLocal.register((TerminatingThreadLocal<?>) this);
	}
	return value;
}

ThreadLocal#setInitialValue方法几乎和ThreadLocal#set一样，但变量是通过ThreadLocal#initialValue获得的。如果是通过ThreadLocal#initialValue添加变量，在第一次调用ThreadLocal#get时将变量存储到ThreadLocalMap中。

ThreadLocal的原理

好了，到这里我们已经可以构建出对ThreadLocal比较完整的认知了。我们先来看ThreadLocal，ThreadLocalMap和Thread三者之间的关系：

12.ThreadLocal的那点小秘密

可以看到，ThreadLocal是作为ThreadLocalMap中的Key的，而ThreadLocalMap又是Thread中的成员变量，属于每一个Thread实例对象。忘记ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类这层关系，整体结构就会非常清晰。

创建ThreadLocal对象并存储数据时，会为每个Thread对象创建ThreadLocalMap对象并存储数据，ThreadLocal对象作为Key。在每个Thread对象的生命周期内，都可以通过ThreadLocal对象访问到存储的数据。

到底是“谣言”吗？

那么“ThreadLocal通过拷贝共享变量的方式解决并发安全问题”是“谣言”吗？

我认为是的。ThreadLoal不会拷贝共享变量，它能“解决”并发安全问题的原理很简单，要求开发者为每个线程“发”一个变量，即变量本身就是线程隔离的。接近于以下写法：

Java
复制代码
public static Date parseDate(String dateStr) throws ParseException {
	return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd").parse(dateStr);
}

那这还能算是ThreadLocal去解决并发安全问题吗？

Tips：Stack Overflow上也有关于“谣言”的讨论。

既然不是解决共享变量并发安全问题的，那么ThreadLocal有什么用？我认为最主要的功能就是跳过方法的参数列表在线程内传递参数。举个例子：Dubbo借鉴Netty的FastThreadLocal，搞了InternalThreadLocal，用来隐式传递参数。

ThreadLocal的内存泄漏

在ThreadLocalMap的源码中可以看到，Entry继承自WeakReference，并且会将ThreadLocal添加到弱引用队列中：

Java
复制代码
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {

	Object value;
	
	Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
		super(k);
		value = v;
	}
}

我们知道，弱引用关联的对象只能存活到下一次GC。如果ThreadLocal没有关联任何强引用，只有Entry上的弱引用的话，发生一次GC后ThreadLocal就会被回收，就会存在ThreadLocalMap上关联Entry，但Entry上没有Key的情况：

12.ThreadLocal的那点小秘密

此时Value依旧关联在ThreadLocalMap上，但无法通过常规手段访问，造成内存泄漏。虽然线程销毁后会释放内存，但在线程执行期间，始终有一块无法访问的内存被占用。

避免内存泄漏

为了避免内存泄漏，Java建议设置静态ThreadLocal变量，保证一直存在与之关联的强引用：

ThreadLocal instances are typically private static fields in classes.

另外，ThreadLocal自身也做了一些努力去清除这些没有Key的Entry，如：

  • ThreadLocalMap#getEntry调用ThreadLocalMap#getEntryAfterMiss；
  • ThreadLocalMap#set调用ThreadLocalMap#replaceStaleEntry。

这些方法中都会尝试清除无用的Entry，只是触发条件较为苛刻，实际作用较小。

除此之外，开发者主动调用ThreadLocal#remove清除无用变量才是正确使用ThreadLocal的方式。

ThreadLocal的注意事项

除了需要关注ThreadLocal的内存泄漏外，我们需要关注另外一种场景：线程池中使用ThreadLocal。

通常线程池不会销毁线程，因此在线程池中使用ThreadLcoal，且没有正确执行ThreadLocal#remove的话，线程中会一直存在ThreadLocal关联的Value，那么就需要考虑清楚，这次的ThreadLocal对下一是否还适用？

结语

ThreadLocal的内容到这里就结束了，使用方法，实现原理，包括内存泄漏都还是比较简单的。不过有一点比较难搞，因为有太多人去写“ThreadLocal通过拷贝共享变量的方式解决并发安全问题”，导致很多人认为这是ThreadLocal的核心功能，所以无法确认坐在对面的面试官是如何理解ThreadLocal的。

我也思考了“谣言”是如何产生的，大概有两点：

第一，《阿里巴巴Java开发手册》中使用ThreadLocal解决了DateFormat的并发安全问题，表现上看是ThreadLocal的能力，实际上是开发者自身保证了每个线程使用不同的DateFormat实例对象。

第二，ThreadLocal的注释中，提到了一句“independently initialized copy of the variable.”，搞得大家以为ThreadLocal会拷贝共享变量给线程使用。

如果真的遇到了这样面试官，那只能”见人说人话“了。

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