JDK源碼白話解讀之ThreadLocal篇

更新時間：2022年02月23日 16:08:42 作者：慕楓技術(shù)筆記

其實網(wǎng)上有很多關(guān)于ThreadLocal的文章了，有不少文章也已經(jīng)寫的非常好了。但是很多同學(xué)反應(yīng)還有一些部分沒有講解的十分清楚，還是有一定的疑惑沒有想的十分清楚

引言

因此本文主要結(jié)合常見的一些疑問、ThreadLocal源碼、應(yīng)用實例以注意事項來全面而深入地再詳細講解一遍ThreadLocal。希望大家看完本文后可以徹底掌握ThreadLocal。

ThreadLocal是什么？它能干什么？

在闡述ThreadLocal之前，我們先來看下它的設(shè)計者是怎么描述ThreadLocal的吧。

看完官方的描述后，結(jié)合自己的理解，ThreadLocal提供了一種對應(yīng)獨立線程內(nèi)的數(shù)據(jù)訪問機制，實現(xiàn)了變量在線程之間隔離，在線程生命周期內(nèi)獨立獲取或者設(shè)置的能力。如果我們想在線程內(nèi)傳遞參數(shù)但是有不想作為方法參數(shù)的時候，ThreadLocal就可以排上用場了。不過值得注意的是ThreadLocal并不會解決變量共享問題。實際上從ThreadLocal的名稱上面來看，線程本地變量也已經(jīng)大致說明了它的作用，所以變量的命名還是非常重要的，要做到顧名思義。如果覺得還不是很理解，沒關(guān)系，我們可以通過以下的場景再加深下理解。

假如有以下的場景，假設(shè)只有一個數(shù)據(jù)庫連接，客戶端1、2、3都需要獲取數(shù)據(jù)庫連接來進行具體的數(shù)據(jù)庫操作，但是同一時間點只能有一個線程獲取連接，其他線程只能等待。因此就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問效率不高的問題。

那我們有沒有什么辦法能夠避免線程等待的情況呢？上述問題的根本原因是數(shù)據(jù)庫連接是共享變量，同事只能有一個線程可以進行操作。那如果三個線程都有自己的數(shù)據(jù)庫連接，互相隔離，那不就不會出現(xiàn)等待的問題了嘛。那么此時我么可以使用ThreadLocal實現(xiàn)在不同線程中的變量隔離?？梢钥闯鰜?，ThreadLocal是一種已空間換取時間的做法。

ThreadLocal實現(xiàn)線程隔離的秘密

從上文中，我們了解到ThreadLocal可以實現(xiàn)變量訪問的線程級別的隔離。那么它是到底如何實現(xiàn)的呢？這還需要結(jié)合Thread以及ThreadLocal的源碼來分析才能揭開ThreadLocal實現(xiàn)線程隔離的神秘面紗。

public class Thread implements Runnable {
    ...
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ...
    
}

在Thread源碼中我們發(fā)現(xiàn)，它有一個threadLocals變量，它的類型是ThreadLocal中的內(nèi)部類ThreadLocalMap。我們在看下ThreadLocalMap的定義是怎樣的。從源碼中我們可以看出來，ThreadLocalMap實際上就是Entry數(shù)組，這個Entry對應(yīng)的key實際就是ThreadLocal的實例，value就是實際的變量值。

public class ThreadLocal<T> {
  ...
    
   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;
            }
        }
       ...
       //底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)組
       private Entry[] table;
       ...
     
   }
  ...
  
}

通過查看上述的源碼，如果還不太好理解的話，我們再結(jié)合下現(xiàn)實中的例子來理解。大家都有支付寶賬戶，我們通過它來管理著我們的銀行卡、余額、花唄這些金融服務(wù)。

我們以支付寶以及支付寶賬戶進行類比，假設(shè)ThreadLocal就是支付寶，每個支付寶賬戶實際就是單獨的線程，而賬戶中的余額屬性就相當(dāng)于Thread的私有屬性ThreadLocalMap。我們在日常生活中，進行賬戶余額的充值或者消費，并不是直接通過賬戶進行操作的，而是借助于支付寶進行維護的。這就相當(dāng)于每個線程對ThreadLocalMap進行操作的時候也不是直接操作的，而是借助于ThreadLocal來操作。

那么Thread到底是怎么借助ThreadLocal進行私有屬性管理的呢？還是需要進一步查看Thread進行set以及get操作的源碼。從以下的ThreadLocal的源碼中我們可以看出，在進行操作之前，需要獲取當(dāng)前的執(zhí)行操作的線程，再根據(jù)線程或者線程中私有的ThreadLocalMap屬性來進行操作。

在進行數(shù)據(jù)獲取的時候，也是按照同樣的流程，先獲取當(dāng)前的線程，再獲取線程中對應(yīng)的ThreadLocalMap屬性來進行后續(xù)的值的獲取。

經(jīng)過上述的源碼的分析，我們可以得出這樣的結(jié)論，ThreadLocal之所以可以實現(xiàn)變量的線程隔離訪問，實際上就是借助于Thread中的ThreadLocalMap屬性來進行操作。由于都是操作線程本身的屬性，因此并不會影響其他線程中的變量值，因此可以實現(xiàn)線程級別的數(shù)據(jù)修改隔離。

為什么ThreadLocal會出現(xiàn)OOM的問題？

內(nèi)存泄漏演示

我們都知道，ThreadLocal如果使用不當(dāng)?shù)脑挄霈F(xiàn)內(nèi)存泄漏的問題，那么我們就通過下面的這段代碼來分析下，內(nèi)存泄漏的原因到底是什么。

/**
 * @author mufeng
 * @description 測試ThreadLocal內(nèi)存溢出
 * @date 2022/1/16 19:01
 * @since
 */
public class ThreadLocalOOM {

    /**
     * 測試線程池
     */
    private static Executor threadPool = new ThreadPoolExecutor(3, 3, 40,
            TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>());


    static class Info {
        private byte[] info = new byte[10 * 1024 * 1024];
    }

    private  static ThreadLocal<Info> infoThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadPool.execute(() -> {
                infoThreadLocal.set(new Info());
                System.out.println("Thread started:" + Thread.currentThread().getName());
            });
            Thread.sleep(100);
        }

    }
}

手動進行GC之后，我們可以發(fā)現(xiàn)堆中仍然有超過30M的堆內(nèi)存占用，如上面的代碼，在線程池中活躍的線程會有三個，對應(yīng)的value為10M，說明在線程還存活的情況下，對應(yīng)的value并沒有被回收，因此存在內(nèi)存泄漏的情況，如果存在大量線程的情況，就會出現(xiàn)OOM。

當(dāng)我們修改代碼在線程中進行remove操作，手動GC之后我們發(fā)現(xiàn)堆內(nèi)存趨近于0了，之前沒有被回收的對象已經(jīng)被回收了。

內(nèi)存泄漏問題分析

以上是對于ThreadLocal發(fā)生內(nèi)存泄漏問題的演示，那么再來仔細分析下背后的原因是什么。ThreadLocal中實際存儲數(shù)據(jù)的是ThreadLocalMap，實際上Map對應(yīng)的key是一個虛引用，在GC的時候可以被回收掉，但是問題就在于key所對應(yīng)的value，它是強引用，只要線程存活，那么這條引用鏈就會一致存在，如果出現(xiàn)大量線程的時候就會有OOM的風(fēng)險。所以在使用ThreadLocal的時候一定記得要顯式的調(diào)用remove方法進行清理，防止內(nèi)存泄漏。

父子線程的參數(shù)傳遞

到這里，我相信大家對于ThreadLocal的原理有了比較深入的理解了。結(jié)合上文中的ThreadLocal代碼，不知道大家有沒有思考過一個問題，我們在使用ThreadLocal的時候都是在同一個線程內(nèi)進行了set以及get操作，那么如果set操作與get操作在父子線程中是否還可以正常的獲取呢？帶著這樣的疑問，我們來看下如下的代碼。

/**
 * @author mufeng
 * @description 父子線程參數(shù)傳遞
 * @date 2022/1/16 9:54
 * @since
 */
public class InheritableThreadLocalMain {

    private static final ThreadLocal<String> count = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {

        count.set("父子線程參數(shù)傳遞！??！");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());
        }).start();

    }

}

與之前代碼有所不同，ThreadLocal的設(shè)值是在main線程中進行的，但是獲取操作實際是在主線程下的子線程中進行的，大家可以分析一下運行結(jié)果是怎么樣的。

看到這個運行結(jié)果，不知道大家分析的對不對呢。實際上如果理解了上文的核心的話，這個問題應(yīng)該很好分析的。ThreadLocal獲取數(shù)據(jù)的時候，首先是需要獲取當(dāng)前的線程的，根據(jù)線程獲取實際存儲數(shù)據(jù)的ThreadLocalMap，上文代碼中設(shè)置和獲取在父子線程中進行，那肯定是獲取不到設(shè)置的數(shù)據(jù)的。但是在現(xiàn)實的項目開發(fā)中，我們會經(jīng)常遇到需要將父線程的變量值傳遞給子線程進行處理，那么應(yīng)該要怎么來實現(xiàn)呢？這個時候InheritableThreadLocal就派上用場了。

/**
 * @author mufeng
 * @description 父子線程參數(shù)傳遞
 * @date 2022/1/16 9:54
 * @since
 */
public class InheritableThreadLocalMain {

    private static final ThreadLocal<String> count = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {

        count.set("父子線程參數(shù)傳遞?。?！");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());
        }).start();

    }

}

那么InheritableThreadLocal到底是如何實現(xiàn)父子線程的參數(shù)傳遞的呢？我么還是的看看源碼中的實現(xiàn)原理。實際上在Thread源碼中，除了有Threadlocal私有屬性還有InheritableThreadLocal私有屬性。

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

    /*
     * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
     * maintained by the InheritableThreadLocal class.
     */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
...
    public Thread(Runnable target) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
    
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize) {
        init(g, target, name, stackSize, null, true);
    }
    
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        ...
        //關(guān)鍵
         if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals); 
        ...    
        
    }
    ...
    
}

實際在進行子線程創(chuàng)建的時候，在線程初始化過程中，判斷了父線程中的inheritableThreadLocals屬性是否為空，如果不為空的話需要進行值的復(fù)制，這樣便實現(xiàn)了父子線程的值傳遞。