一文搞懂ThreadLocal原理-51CTO.COM

大家好，我是了不起。

ThreadLocal相信大家都用过，但你知道他的原理吗，今天了不起带大家学习ThreadLocal。

ThreadLocal是什么

在多线程编程中，经常会遇到需要在不同线程中共享数据的情况。通常情况下，为了保证线程安全，我们需要使用锁或其他同步机制。然而，有些情况下，我们希望在每个线程中都有一份独立的数据副本，这就是ThreadLocal派上用场的地方。

ThreadLocal翻译过来就是线程本地，也就是本地线程变量，意思是ThreadLocal中填充的变量属于当前线程，该变量对其他线程而言是隔离的。ThreadLocal提供了一种机制，允许我们为每个线程创建独立的变量，每个线程都可以独立访问自己的变量，而不会干扰其他线程的数据。ThreadLocal为变量在每个线程中都创建了一个副本，那么每个线程可以访问自己内部的副本变量，各个线程间互不影响，从而实现线程安全。

ThreadLocal的原理

ThreadLocal的原理涉及到两个重要概念：ThreadLocal实例和ThreadLocalMap。

1. ThreadLocal实例

每个ThreadLocal对象实际上是一个容器，用于存储线程本地的变量副本。每个线程都可以拥有自己的ThreadLocal实例，这些实例可以存储不同的数据，互相之间互不影响。

2. ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的底层数据结构，它是一个哈希表。每个线程都有一个与之相关联的ThreadLocalMap，用于存储该线程所拥有的ThreadLocal实例以及对应的值。ThreadLocalMap中的键是ThreadLocal实例，值是该线程对应ThreadLocal实例的变量副本。

当我们调用ThreadLocal的set()方法设置值时，实际上是在当前线程的ThreadLocalMap中以ThreadLocal实例为键，将值存储在对应的位置。而调用get()方法时，则是从当前线程的ThreadLocalMap中根据ThreadLocal实例获取对应的值。

ThreadLocal怎么用，应用场景

public static void main(String[] args) {
   IntStream.range(1, 5).forEach(i -> new Thread(() -> {
       // 设置线程中本地变量的值
       threadLocal.set("thread-" + i);
       // 打印当前线程中本地内存中本地变量的值
       System.out.println(threadLocal.get());
       // 清除本地内存中的本地变量
       threadLocal.remove();
       // 打印本地变量
       System.out.println("thread-" + i + " after remove: " + threadLocal.get());
   }).start());
}
/*
thread-1
thread-4
thread-4 after remove: null
thread-2
thread-3
thread-2 after remove: null
thread-1 after remove: null
thread-3 after remove: null
*/

从结果可以看到，每一个线程都有各自的值，并且互不影响。

应用场景

用户访问之后，在本地线程保存用户的身份信息，在本次访问过程中，可以随时获取用户的身份信息以验证身份。
在进行对象跨层传递的时候，使用ThreadLocal可以避免多次传递，打破层次间的约束。
数据库连接管理：每个线程可以拥有自己的数据库连接，避免了线程之间的数据库连接混淆。
用户身份管理：在Web应用中，可以将用户身份信息存储在ThreadLocal中，以便在整个请求处理过程中方便地访问。
事务管理：将事务状态存储在ThreadLocal中，确保每个线程都能独立管理自己的事务状态。

ThreadLocal源码分析

先看一下 ThreadLocal 和 Thread 的关系

图片

Thread类中有一个threadLocals属性，是ThreadLocal内部类ThreadLocalMap类型的变量，ThreadLocalMap可以看作是一个HashMap，其内部有一个内部类为 Entry，继承了WeakReference<ThreadLocal<?>>，是一个弱引用。Entry的key是ThreadLocal<?>，value是Object类型的值。

大致了解了Thread和ThreadLocal的关系之后，看一下Thread Local的源码：我们只要看其主要的几个方法，就可以完全了解ThreadLocal的原理了。

set方法

public void set(T value) {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 通过当前线程获取线程中的ThreadLocal.ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        // map不为空，则直接赋值
        map.set(this, value);
    else
        // map为空，则创建一个ThreadLocalMap对象
        createMap(t, value);
}
// 根据提供的线程对象，和指定的值，创建一个ThreadLocalMap对象
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
// threadLocals是Thread类的一个属性
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

/*
Thread 类 182行
 // ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained by the ThreadLocal class.
 与该线程有关的ThreadLocal值。这个映射由ThreadLocal类维护
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
*/

get方法

// ThreadLocalMap中的内部类，存放key，value
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    // 与此ThreadLocal关联的值
    Object value;
 // k：ThreadLocal的引用，被传递给WeakReference的构造方法
    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

public T get() {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 通过当前线程获取线程中的ThreadLocal.ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // map不为空，通过this(当前对象，即ThreadLocal对象)获取Entry对象
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            // Entry不为空，则直接返回Entry中的value值
            return result;
        }
    }
    // 如果map或Entry为空，则返回初始值-null
    return setInitialValue();
}
// 设置初始值，初始化ThreadLocalMap对象，并设置value为 null
private T setInitialValue() {
    // 初始化值，此方法返回 null
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

remove方法

public void remove() {
    // 通过当前线程获取线程中的ThreadLocal.ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        // 移除对象
        m.remove(this);
}
// 根据key，删除对应的所有值
private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 获取key对应的 Entry[] 下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         // 获取下一个Entry对象
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        if (e.get() == key) {
            e.clear();
            // 通过重新哈希位于staleSlot和下一个null插槽之间的任何可能冲突的条目，来清除陈旧的条目。这还会清除尾随null之前遇到的所有其他过时的条目，防止出现内存泄漏问题
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

总结：

每个Thread维护着一个ThreadLocalMap的引用
ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，用Entry来进行存储
ThreadLocal创建的副本是存储在自己的threadLocals中的，也就是自己的ThreadLocalMap。
ThreadLocalMap的键为ThreadLocal对象，而且可以有多个threadLocal变量，因此保存在map中
在进行get之前，必须先set，否则会报空指针异常，当然也可以初始化一个，但是必须重写initialValue()方法。
ThreadLocal本身并不存储值，它只是作为一个key来让线程从ThreadLocalMap获取value。

注意事项

虽然ThreadLocal在某些情况下非常有用，但过度使用它也可能导致内存泄漏问题。因为ThreadLocalMap中的数据只有在线程结束时才会被释放，如果没有正确地清理ThreadLocal实例，就可能会导致无限制的数据积累。

另外，ThreadLocal不适合在并发量非常大的情况下使用，因为每个线程都会创建自己的变量副本，可能会导致内存消耗过大。

ThreadLocal内存泄漏问题

在上面的代码中，我们可以看出，当前ThreadLocal的引用k被传递给WeakReference的构造函数，所以ThreadLocalMap中的key为ThreadLocal的弱引用。

如果当前线程一直存在且没有调用该ThreadLocal的remove方法，如果这个时候别的地方还有对ThreadLocal的引用，那么当前线程中的ThreadLocalMap中会存在对ThreadLocal变量的引用和value对象的引用，是不会释放的，会造成内存泄漏。

ThreadLocalMap中的Entry的key使用的是ThreadLocal对象的弱引用，在没有其他地方对ThreadLoca依赖，ThreadLocalMap中的ThreadLocal对象就会被回收掉，但是对应的value值不会被回收，这个时候Map中就可能存在key为null但是value不为null的项，也会造成内存泄漏。

小结

ThreadLocal是一种多线程编程的工具，可以帮助我们在多线程环境中管理线程本地的变量。它通过ThreadLocal实例和ThreadLocalMap的组合实现了这一功能。

使用ThreadLocal时需要注意内存泄漏和性能问题，确保合理使用。

使用完ThreadLocal后，一定执行remove操作，避免出现内存泄漏情况。