ThreadLocal原理及使用示例

时间 2019-12-13

原文原文链接

简介：本文以一个简要的代码示例介绍ThreadLocal类的基本使用，在此基础上结合图片阐述它的内部工做原理，最后分析了ThreadLocal的内存泄露问题以及解决方法。html

欢迎探讨，若有错误敬请指正 java

如需转载，请注明出处 http://www.cnblogs.com/nullzx/编程

1. ThreadLocal<T> 简介和使用示例

ThreadLocal只有一个无参的构造方法并发

public ThreadLocal()

ThreadLocal的相关方法dom

public T get() 
public void set(T value) 
public void remove() 
protected T initialValue()

initialValue方法的访问修饰符是protected，该方法为第一次调用get方法提供一个初始值。默认状况下，第一次调用get方法返回值null。在使用时，咱们通常会复写ThreadLocal的initialValue方法,使第一次调用get方法时返回一个咱们设定的初始值。ide

下面是一个ThreadLocal的一个简单使用示例函数

package javalearning;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class ThreadLocalDemo {
	/*定义了1个ThreadLocal<Integer>对象，
	 *并复写它的initialValue方法，初始值是3*/
	private ThreadLocal<Integer> tlA = new ThreadLocal<Integer>(){
		protected Integer initialValue(){
			return 3;
		}
	};
	
    /*	
    private ThreadLocal<Integer> tlB = new ThreadLocal<Integer>(){
		protected Integer initialValue(){
			return 5;
		}
	};
	*/
	
	/*设置一个信号量，许可数为1，让三个线程顺序执行*/
	Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
	
	private Random rnd = new Random();
	
	/*Worker定义为内部类实现了Runnable接口,tlA定义在外部类中，
每一个线程中调用这个对象的get方法，再调用一个set方法设置一个随机值*/
	public class Worker implements Runnable{
		@Override
		public void run(){
			
			try {
				Thread.sleep(rnd.nextInt(1000)); /*随机延时1s之内的时间*/
				semaphore.acquire();/*获取许可*/
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			
			int valA = tlA.get();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" tlA initial val : "+ valA);
			valA = rnd.nextInt();
			tlA.set(valA);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" tlA  new     val: "+ valA);
			
			/*
			int valB = tlB.get();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" tlB initial val : "+ valB);
			valB = rnd.nextInt();
			tlA.set(valB);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" tlB 2    new val: "+ valB);
            */
			
			semaphore.release();
			
			/*在线程池中,当线程退出以前必定要记得调用remove方法，由于在线程池中的线程对象是循环使用的*/
			tlA.remove();
			/*tlB.remove();*/
		}
	}
	
	/*建立三个线程，每一个线程都会对ThreadLocal对象tlA进行操做*/
	public static void main(String[] args){
		ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3);
		ThreadLocalDemo tld = new ThreadLocalDemo();
		es.execute(tld.new Worker());
		es.execute(tld.new Worker());
		es.execute(tld.new Worker());
		es.shutdown();
	}
}

运行结果学习

pool-1-thread-1 tlA initial val : 3
pool-1-thread-1 tlA  new     val: -1288455998
pool-1-thread-3 tlA initial val : 3
pool-1-thread-3 tlA  new     val: 112537197
pool-1-thread-2 tlA initial val : 3
pool-1-thread-2 tlA  new     val: -12271334

从运行结果能够看出，每一个线程第一次调用TheadLocal对象的get方法时都获得初始值3，注意咱们上面的代码是让三个线程顺序执行，显然从运行结果看，pool-1-thread-1线程结束后设置的新值，对pool-1-thread-3线程是没有影响的，pool-1-thread-3线程完成后设置的新值对pool-1-thread-2线程也没有影响。这就仿佛把ThreadLocal对象当作每一个线程内部的对象同样，但实际上tlA对象是个外部类对象，内部类Worker访问到的是同一个tlA对象，也就是说是被各个线程共享的。这是如何作到的呢？咱们如今就来看看ThreadLocal对象的内部原理。ui

2. ThreadLocal<T>的原理

首先，在Thread类中定义了一个threadLocals，它是ThreadLocal.ThreadLocalMap对象的引用,默认值是null。ThreadLocal.ThreadLocalMap对象表示了一个以开放地址形式的散列表。当咱们在线程的run方法中第一次调用ThreadLocal对象的get方法时，会为当前线程建立一个ThreadLocalMap对象。也就是每一个线程都各自有一张独立的散列表，以ThreadLocal对象做为散列表的key，set方法中的值做为value（第一次调用get方法时，以initialValue方法的返回值做为value）。显然咱们能够定义多个ThreadLocal对象，而咱们通常将ThreadLocal对象定义为static类型或者外部类中。上面所表达的意思就是，相同的key在不一样的散列表中的值必然是独立的，每一个线程都是在各自的散列表中执行操做。this

TheadLocal中的get源代码

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);//这里的this是指当前的ThreadLocal对象
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

3. 由ThreadLocal形成的内存泄露和相应解决办法

ThreadLocalMap 中用内部静态类Entry表示了散列表中的每个条目，下面是它的代码

        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

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

能够看出Entry类继承了WeakRefrence类，因此一个条目就是一个弱引用类型的对象（要搞清楚，持有weakRefrence对象的引用是个强引用），那么这个weakRefrence对象保存了谁的弱引用呢？咱们看到构造函数中有个supe(k)，k是ThreadLocal类型对象，super表示是调用父类的构造函数（父类是谁你要想清楚哦？），因此说一个entry对象中存储了ThreadLocal对象的弱引用和这个ThreadLocal对应的value对象的强引用。有关弱引用的相关内容请参考个人另外一篇博客《Java中的四种引用以及ReferenceQueue和WeakHashMap的使用示例》。

咱们如今假设一种状况，假设咱们在线程的run方法中调用了一个方法，并在这个方法中建立了ThreadLocal对象，并使用了他，内存结构示意图以下。

当这个方法结束时，这个方法中建立的ThreadLocal对象自己（图中绿色区域）就被垃圾回收器回收了，可是线程尚未结束，因此ThreadLocalMap中还存在这个entry。因为entry中的key（即ThreadLocal对象）是弱引用类型，因此此时调用entry.get()方法时就会返回null，内部结构以下图所示。

从图中咱们能够看到value对象（红色区域）始终不能被回收，而咱们不再会使用它了，这就形成了内存泄露。

那Entry中为何保存的是key的弱引用呢？其实这是为了最大程度上减小内存泄露，反作用是同时减小哈希表中的冲突。当ThreadLocal对象被回收时，对应entry中的key就自动变成null（entry对象自己不为null）。若此后咱们调用get,set或remove方法时，就会尝试删除key为null的entry，以释放value对象所占用的内存。

咱们如今来看看get方法（上面有get方法的源代码）中调用的getEntry方法。

        private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
            int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
            Entry e = table[i];
            if (e != null && e.get() == key)
                return e;
            else
                return getEntryAfterMiss(key, i, e);
        }

从源代码中咱们能够看出，有可能会调用getEntryAfterMiss方法，而在这个方法中，删除key为null的Entry对象。同理set方法也有相似的行为,而remove方法不只仅删除掉参数ThreadLocal对象对应的entry，并且也会尝试删除其它key为null的entry。

        private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;

            while (e != null) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                if (k == key)
                    return e;
                if (k == null)
                    expungeStaleEntry(i);
                else
                    i = nextIndex(i, len);
                e = tab[i];
            }
            return null;
        }

可是上述的方式并不能彻底解决内存泄露问题，由于咱们在这个方法结束的时候逻辑上不必定必须调用get方法，而get方法也不必定执行getEntryAfterMiss方法。因此类自己是没有这个能力的，咱们只能在再也不使用某个ThreadLocal对象后，手动调用remoev方法来删除它,各自线程中调用共享的ThreadLocal对象的remove方法，这对其它线程是没有影响的，这个应该不难理解。在线程池中这就操做是必须的，不只仅是内存泄露的问题。由于线程池中的线程是重复使用的，意味着这个线程的ThreadLocalMap对象也是重复使用的，若是咱们不手动调用remove方法，那么后面的线程就有可能获取到上个线程遗留下来的value值，形成bug。

4. 参考内容

[1]. Java并发编程：深刻剖析ThreadLocal

[2]. [Java并发包学习七]解密ThreadLocal

[3]. 深刻分析 ThreadLocal 内存泄漏问题