并发原理抽丝剥茧，线程本地变量ThreadLocal的实现原理

关于ThreadLocal

ThreadLocal咱们常常称之为线程本地变量，经过它可以实现线程与变量之间的绑定，也就是说每一个线程只能读写本线程对应的变量。对于同一个ThreadLocal对象，每一个线程对该对象读写时只能看到属于本身的变量，这样来看ThreadLocal也是一种线程安全的模式。ThreadLocal的功能以下图所示，一个ThreadLocal对象就是一个线程本地变量，该变量能够保存多个变量值，好比线程一对应变量值一，其它两个线程也有本身的变量值。

ThreadLocal变量绑定

ThreadLocal例子

咱们经过一个小例子来了解ThreadLocal的使用方法。首先建立一个ThreadLocal对象，因为是泛型因此须要指定保存的数据类型，这里保存的是String类型。而后启动五个线程，每一个线程都经过ThreadLocal对象的set方法设置要绑定该线程的变量值，要保存什么值就传入什么值，而当咱们要使用时则调用ThreadLocal对象的get方法，该方法无需传入参数值。最终的输出结果以下。

Thread-1--->Thread-1的变量Thread-0--->Thread-0的变量Thread-4--->Thread-4的变量Thread-3--->Thread-3的变量Thread-2--->Thread-2的变量复制代码

ThreadLocal例子

这个例子的效果以下图，五个线程都各自有各自对应的变量。

ThreadLocal三个主要方法

1. set方法，用于设置当前线程本地变量的值，传入的参数为要设置的值。好比 threadLocal.set("value") 。

2. get方法，用于获取当前线程本地变量的值，无需传入任何参数。好比 String threadLocalValue = (String) threadLocal.get() 。

3. remove方法，用于删除当前线程本地变量，无需传入任何参数。好比 threadLocal.remove() 。

如何模拟实现

在了解了ThreadLocal的功能后咱们试着想一个问题：ThreadLocal是如何实现的呢，变量与线程之间如何绑定的呢？实际上，若是让咱们本身来实现ThreadLocal功能，咱们只要经过一个Map结构就能实现该功能了。其中Map的key是当前线程，而Map的value则是变量值。下图展现了ThreadLocal的设计思想。

模拟实现

再看具体的模拟实现代码，该模拟类提供了set、get和remove三个方法，这三个方法都是间接操做Map对象。注意Map对象的key值都是当前线程，由Thread.currentThread()来获取，这个key值没必要由调用方传入。这样就实现了一个简单的ThreadLocal，是否是很简单？

模拟实现

JDK中ThreadLocal的实现思想

上面的实现方式虽然简单且符合咱们的思考方式，可是它存在多线程并发性能问题，这个怎么说呢？其实很明显，咱们实现的ThreadLocal内部使用了一个Map对象，全部线程的操做都是针对该Map对象进行的操做，须要保证该对象访问的线程安全，这就须要额外的锁机制来保证，但与此同时也就带来了性能问题。

JDK为咱们提供的ThreadLocal的实现则比较巧妙，为了不并发时涉及锁问题，它在每一个线程对象中都放一个Map对象，但它并无直接使用JDK的Map类，而是本身实现了一个key-value数据结构。每一个线程都操做本身的Map对象则不存在并发问题，以下图，线程一包含了一个Map对象，该Map对象的key是ThreadLocal对象，而value则是变量值。注意这里的实现须要将思惟转换一下，ThreadLocal对象变成了key，也就是说可能存在不少不一样的ThreadLocal对象，要查找时须要传入对应的ThreadLocal对象。

ThreadLocal实现思想

JDK的实现源码分析

注意这里只分析实现的核心内容，并不是包括全部源码细节，而且为了达到简洁清晰的效果，可能会删除或修改少许源码。咱们先来看Thread类与ThreadLocal类的关系，看到Thread类中包含了一个threadLocals变量，它是一种ThreadLocal.ThreadLocalMap类型，该类型定义在ThreadLocal类里面，也就是一个内部类。而ThreadLocalMap这个内部类便是实现了一个Map结构，该类又包含了Entry内部类，ThreadLocal对象和变量值则是经过Entry来保存。

类关系

Thread类里面声明了threadLocals变量用于关联ThreadLocal.ThreadLocalMap对象，注意默认为null。

Thread类

而ThreadLocal类的大致结构以下，提供了主要的三个方法，其ThreadLocalMap内部类实现Map结构。Map结构具体由Entry类实现，该类继承了WeakReference类，目的是为了不内存泄漏。下面将对三个主要方法进行分析。

ThreadLocal类

对于多个线程与多个线程本地变量来讲，它们的结构以下图。

关于ThreadLocalMap类

ThreadLocalMap类实际上就是一个Map结构的实现，对于Java开发人员来讲对Map再熟悉不过了，并且因为ThreadLocalMap类的实现涉及到不少细节，若是咱们纯讲它繁琐的实现源码则会致使篇幅冗长，因此这里咱们主要是了解它的结构和操做便可。ThreadLocalMap类使用数组来保存key-value，数组的每一个元素对应一个key-value，因此新增、修改、删除等操做都是围绕着数组进行的。保存以前会先用哈希算法计算线程对象的哈希值，这是一个整型值，经过该值就能定位数组的某个位置的元素，这样就能找到对应的key-value进行操做。

ThreadLocal的set方法

咱们看set方法的实现，ThreadLocal类的set方法逻辑为：首先获取当前线程对象，而后经过getMap方法获取当前线程的ThreadLocalMap，其实就是从Thread对象中获取，最后调用ThreadLocalMap对象的set方法保存key-value。注意若是Thread对象中的ThreadLocalMap对象为空的话则须要调用createMap方法先建立ThreadLocalMap对象并关联到Thread对象中。

set方法

ThreadLocal的get方法

get方法的逻辑为：首先获取当前线程对象，而后经过getMap方法获取当前线程的ThreadLocalMap对象，若是该对象不为空则调用ThreadLocalMap对象的getEntry方法获取Entry，Entry对象即包含了咱们要的value。若是获取不到值则最终还会执行setInitialValue方法，它是根据ThreadLocal对象的initialValue方法来设置初始值，默认是null，若是你想要设置一个初始值则能够重写initialValue方法。

get方法

ThreadLocal的remove方法

remove方法的逻辑很简单，直接获取当前线程对象的ThreadLocalMap对象，而后调用该对象的remove方法删除对应的key-value。

remove方法

ThreadLocal的内存泄漏

JDK的实现是让Entry继承了WeakReference类，因此能够指定对某个对象进行弱引用，弱引用类型在没有其它强引用的状况下会被JVM的垃圾回收器回收。咱们经过下图来理解如何致使内存泄漏，咱们知道ThreadLocal被建立后就会伴随Thread的整个生命周期，假如这个线程的生命周期很长则会致使严重的内存泄漏，下面看具体的状况。

运行栈运行过程当中假如某个时刻ThreadLocal引用再也不指向ThreadLocal对象，则该对象仅仅剩下一个弱引用，这时该对象就会被JVM回收，从而致使Entry的key为null，key为null时就致使ThreadLocalMap没法再找到这个Entry的value。一旦运行时间被拉长，value将一直存在内存中而没法被回收，这样就形成了内存泄漏，整个引用关系为Thread对象->ThreadLocalMap对象->Entry对象->value。

那是否是不要继承WeakReference类，让它默认强引用就不会致使内存泄漏呢？那确定不是，否则也就不用画蛇添足了。运行栈运行过程当中假如某个时刻ThreadLocal引用再也不指向ThreadLocal对象，则ThreadLocal对象由于存在强引用而不被JVM回收，此时除了value没法被回收外，ThreadLocal对象也没法被回收，一样产生内存泄漏问题。

综上所述，无论Entry有没有继承WeakReference类都存在内存泄漏问题，若是咱们不手动去执行remove操做的话都会致使内存泄漏。那么JDK团队为何又要继承WeakReference类呢？那是由于他们想采起一些措施来尽可能保证内存不泄漏，也就是说他们会在ThreadLocalMap类的get、set、remove方法中去执行一个清除操做，把ThreadLocalMap包含的全部Entry中key为null的value给清除掉，而且将对应的Entry也置为null，以便被JVM回收。

因此咱们在使用ThreadLocal时要注意的一点是：当咱们使用完ThreadLocal时都要手动调用remove方法，从而避免内存泄漏。

总结

本篇文章介绍了ThreadLocal的相关知识，从简单的使用例子开始一步一步深刻，并且咱们还本身模拟实现了一个ThreadLocal类，模拟的方式简洁且容易理解，但却存在并发性能问题，因此JDK实现的ThreadLocal相对复杂不少。而后咱们分析了JDK的ThreadLocal的实现思想，最后从源码级别分析它的实现，包括set、get和remove三个主要方法。最后，咱们讲解了ThreadLocal存在的内存泄漏问题，并提出了使用ThreadLocal的注意点是要手动调用remove方法清理掉再也不使用的key-value。

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