ThreadLocal超全面解析

ThreadLocal全面解析

1. 入门介绍

从Java官方文档中的描述：ThreadLocal类用来提供线程内部的局部变量。这种变量在多线程环境下访问（通过get和set方法访问）时能保证各个线程的变量相对独立于其他线程内的变量。ThreadLocal实例通常来说都是private static类型的，用于关联线程和线程上下文。

   我们可以得知 ThreadLocal 的作用是：提供线程内的局部变量，不同的线程之间不会相互干扰，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或组件之间一些公共变量传递的复杂度。

总结:
1. 线程并发: 在多线程并发的场景下
2. 传递数据: 我们可以通过ThreadLocal在同一线程，不同组件中传递公共变量
3. 线程隔离: 每个线程的变量都是独立的，不会相互影响

2. 基本使用

2.1 常用方法

​ 在使用之前,我们先来认识几个ThreadLocal的常用方法

2.2 使用案例

 我们来看下面这个案例    

public class MyDemo {
    private String content;

    private String getContent() {
        return content;
    }

    private void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyDemo demo = new MyDemo();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 问题：在某个线程中，存入的数据和取出的数据不一致
                    demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
                    System.out.println("-----------------------");
                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
                }
            });
            thread.setName("线程" + i);
            thread.start();
        }
    }
}

打印结果:

​ 从结果可以看出多个线程在访问同一个变量的时候出现的异常，线程间的数据没有隔离。下面我们来看下采用 ThreadLocal 的方式来解决这个问题的例子。

// 线程隔离：在线程并发的场景下，各个线程的数据是隔离的
public class MyDemo {

    private static ThreadLocal<String> tl = new ThreadLocal<>();

    private String content;

    private String getContent() {
          // 取出当前线程绑定的变量
        return tl.get();
    }

    private void setContent(String content) {
        // 将content绑定到当前线程
         tl.set(content);
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyDemo demo = new MyDemo();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 下面代码与上面保持一致
                    demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
                    System.out.println("-----------------------");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
                }
            });
            thread.setName("线程" + i);
            thread.start();
        }
    }
}

打印结果:

​

从结果来看，这样很好的解决了多线程之间数据隔离的问题，十分方便。

3. ThreadLocal类与synchronized关键字

3.1 synchronized同步方式

​ 这里可能有的朋友会觉得在上述例子中我们完全可以通过加锁来实现这个功能。我们首先来看一下用synchronized代码块实现的效果:

public class Demo02 {
    
    private String content;

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo02 demo02 = new Demo02();
        
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread t = new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (Demo02.class){
                        demo02.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
                        System.out.println("-------------------------------------");
                        String content = demo02.getContent();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + content);
                    }
                }
            };
            t.setName("线程" + i);
            t.start();
        }
    }
}

打印结果:

​

​ 从结果可以发现, 加锁确实可以解决这个问题，但是在这里我们强调的是线程数据隔离的问题，并不是多线程共享数据的问题, 在这个案例中使用synchronized关键字是不合适的。

3.2 ThreadLocal与synchronized的区别

​ 虽然ThreadLocal模式与synchronized关键字都用于处理多线程并发访问变量的问题, 不过两者处理问题的角度和思路不同。

总结： 在刚刚的案例中，虽然使用ThreadLocal和synchronized都能解决问题,但是使用ThreadLocal更为合适,因为这样可以使程序拥有更高的并发性。

4. 应用场景举例

像这种需要在项目中进行数据传递和线程隔离的场景，我们不妨用ThreadLocal来解决

/*
  传递数据: 我们可以通过ThreadLocal在同一线程，不同组件中传递公共变量(service层和dao层，传递同一个con)
  线程隔离: 每个线程的变量都是独立的 ===> 避免同步方式带来的性能损失
*/
public class JdbcUtils {
    //ThreadLocal对象 : 将connection绑定在当前线程中
    private static final ThreadLocal<Connection> tl = new ThreadLocal();

    // c3p0 数据库连接池对象属性
    private static final ComboPooledDataSource ds = new ComboPooledDataSource();

    // 获取连接
    public static Connection getConnection() throws SQLException {
        // 取出当前线程绑定的connection对象
        Connection conn = tl.get();
        if (conn == null) {
            //如果没有，则从连接池中取出
            conn = ds.getConnection();
            //再将connection对象绑定到当前线程中
            tl.set(conn);
        }
        return conn;
    }

    //释放资源
    public static void release(AutoCloseable... ios) {
        for (AutoCloseable io : ios) {
            if (io != null) {
                try {
                    io.close();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void commitAndClose() {
        try {
            Connection conn = getConnection();
            //提交事务
            conn.commit();
            //解除绑定
            tl.remove();
            //释放连接
            conn.close();
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void rollbackAndClose() {
        try {
            Connection conn = getConnection();
            //回滚事务
            conn.rollback();
            //解除绑定
            tl.remove();
            //释放连接
            conn.close();
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4.1 ThreadLocal方案的好处

从上述的案例中我们可以看到， 在一些特定场景下，ThreadLocal方案有两个突出的优势：

1. 传递数据 ： 保存每个线程绑定的数据，在需要的地方可以直接获取, 避免参数直接传递带来的代码耦合问题
2. 线程隔离 ： 各线程之间的数据相互隔离却又具备并发性，避免同步方式带来的性能损失

5. ThreadLocal的内部结构

​ 通过以上的学习，我们对ThreadLocal的作用有了一定的认识。现在我们一起来看一下ThreadLocal的内部结构，探究它能够实现线程数据隔离的原理。

5.1 常见的误解

​ 通常，如果我们不去看源代码的话，我猜ThreadLocal是这样子设计的：每个ThreadLocal类都创建一个Map，然后用线程的ID threadID作为Map的key，要存储的局部变量作为Map的value，这样就能达到各个线程的局部变量隔离的效果。这是最简单的设计方法，JDK最早期的ThreadLocal就是这样设计的。

5.2 核心结构

​ 但是，JDK后面优化了设计方案，现时JDK8 ThreadLocal的设计是：每个Thread维护一个ThreadLocalMap哈希表，这个哈希表的key是ThreadLocal实例本身，value才是真正要存储的值Object。

​ （1） 每个Thread线程内部都有一个Map (ThreadLocalMap)
​ （2） Map里面存储ThreadLocal对象（key）和线程的变量副本（value）
​ （3）Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。
​ （4）对于不同的线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

5.3 这样设计的好处

​ 这个设计与我们一开始说的设计刚好相反，这样设计有如下两个优势：

（1） 这样设计之后每个Map存储的Entry数量就会变少(出现hash冲突变少)，因为之前的存储数量由Thread的数量决定，现在是由ThreadLocal的数量决定。

（2） 当Thread销毁之后，对应的ThreadLocalMap也会随之销毁，能减少内存的使用。

6. ThreadLocal的核心方法源码

​ 基于ThreadLocal的内部结构，我们继续探究一下ThreadLocal的核心方法源码，更深入的了解其操作原理。

除了构造之外， ThreadLocal对外暴露的方法有以下4个：

其实get，set和remove逻辑是比较相似的，我们要研究清楚其中一个，其他也就明白了。

6.1 get方法

（1 ) 源码和对应的中文注释

    /**
     * 返回当前线程中保存ThreadLocal的值
     * 如果当前线程没有此ThreadLocal变量，
     * 则它会通过调用{@link #initialValue} 方法进行初始化值
     *
     * @return 返回当前线程对应此ThreadLocal的值
     */
    public T get() {
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null) {
            // 以当前的ThreadLocal 为 key，调用getEntry获取对应的存储实体e
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            // 找到对应的存储实体 e 
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                // 获取存储实体 e 对应的 value值
                // 即为我们想要的当前线程对应此ThreadLocal的值
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        // 如果map不存在，则证明此线程没有维护的ThreadLocalMap对象
        // 调用setInitialValue进行初始化
        return setInitialValue();
    }

    /**
     * set的变样实现，用于初始化值initialValue，
     * 用于代替防止用户重写set()方法
     *
     * @return the initial value 初始化后的值
     */
    private T setInitialValue() {
        // 调用initialValue获取初始化的值
        T value = initialValue();
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null)
            // 存在则调用map.set设置此实体entry
            map.set(this, value);
        else
            // 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
            // 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
            // 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
            createMap(t, value);
        // 返回设置的值value
        return value;
    }

    /**
     * 获取当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     * 
     * @param  t the current thread 当前线程
     * @return the map 对应维护的ThreadLocalMap 
     */
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }
    /**
     *创建当前线程Thread对应维护的ThreadLocalMap 
     *
     * @param t 当前线程
     * @param firstValue 存放到map中第一个entry的值
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        //这里的this是调用此方法的threadLocal
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

（2 ) 代码执行流程

​ A. 首先获取当前线程

​ B. 根据当前线程获取一个Map

​ C. 如果获取的Map不为空，则在Map中以ThreadLocal的引用作为key来在Map中获取对应的value e，否则转到E

​ D. 如果e不为null，则返回e.value，否则转到E

​ E. Map为空或者e为空，则通过initialValue函数获取初始值value，然后用ThreadLocal的引用和value作为firstKey和firstValue创建一个新的Map

总结: 先获取当前线程的 ThreadLocalMap 变量，如果存在则返回值，不存在则创建并返回初始值。

6.2 set方法

（1 ) 源码和对应的中文注释

  /**
     * 设置当前线程对应的ThreadLocal的值
     *
     * @param value 将要保存在当前线程对应的ThreadLocal的值
     */
    public void set(T value) {
        // 获取当前线程对象
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取此线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 如果此map存在
        if (map != null)
            // 存在则调用map.set设置此实体entry
            map.set(this, value);
        else
            // 1）当前线程Thread 不存在ThreadLocalMap对象
            // 2）则调用createMap进行ThreadLocalMap对象的初始化
            // 3）并将此实体entry作为第一个值存放至ThreadLocalMap中
            createMap(t, value);
    }

（2 ) 代码执行流程

​ A. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map

​ B. 如果获取的Map不为空，则将参数设置到Map中（当前ThreadLocal的引用作为key）

​ C. 如果Map为空，则给该线程创建 Map，并设置初始值

6.3 remove方法

（1 ) 源码和对应的中文注释

 /**
     * 删除当前线程中保存的ThreadLocal对应的实体entry
     */
     public void remove() {
        // 获取当前线程对象中维护的ThreadLocalMap对象
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
        // 如果此map存在
         if (m != null)
            // 存在则调用map.remove
            // 以当前ThreadLocal为key删除对应的实体entry
             m.remove(this);
     }

（2 ) 代码执行流程

​ A. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map

​ B. 如果获取的Map不为空，则移除当前ThreadLocal对象对应的entry

6.4 initialValue方法

/**
  * 返回当前线程对应的ThreadLocal的初始值
  
  * 此方法的第一次调用发生在，当线程通过{@link #get}方法访问此线程的ThreadLocal值时
  * 除非线程先调用了 {@link #set}方法，在这种情况下，
  * {@code initialValue} 才不会被这个线程调用。
  * 通常情况下，每个线程最多调用一次这个方法。
  *
  * <p>这个方法仅仅简单的返回null {@code null};
  * 如果程序员想ThreadLocal线程局部变量有一个除null以外的初始值，
  * 必须通过子类继承{@code ThreadLocal} 的方式去重写此方法
  * 通常, 可以通过匿名内部类的方式实现
  *
  * @return 当前ThreadLocal的初始值
  */
protected T initialValue() {
    return null;
}

​ 此方法的作用是 返回该线程局部变量的初始值。

（1） 这个方法是一个延迟调用方法，从上面的代码我们得知，在set方法还未调用而先调用了get方法时才执行，并且仅执行1次。

（2）这个方法缺省实现直接返回一个null。

（3）如果想要一个除null之外的初始值，可以重写此方法。（备注： 该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的）

7. ThreadLocalMap源码分析

7.1 基本结构

​ ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也是独立实现。

（1） 成员变量

    /**
     * 初始容量 —— 必须是2的整次幂
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 存放数据的table，Entry类的定义在下面分析
     * 同样，数组长度必须是2的冥。
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * 数组里面entrys的个数，可以用于判断table当前使用量是否超过负因子。
     */
    private int size = 0;

    /**
     * 进行扩容的阈值，表使用量大于它的时候进行扩容。
     */
    private int threshold; // Default to 0
    
    /**
     * 阈值设置为长度的2/3
     */
    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

（2） 存储结构 - Entry

// 在ThreadLocalMap中，也是用Entry来保存K-V结构数据的。但是Entry中key只能是ThreadLocal对象，这点被Entry的构造方法已经限定死了
// 另外，Entry继承WeakReference,使用弱引用，可以将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑，持有对ThreadLocal的弱引用，可以使得ThreadLocal在没有其他强引用的时候被回收掉，这样可以避免因为线程得不到销毁导致ThreadLocal对象无法被回收

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

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

7.2 hash冲突的解决

ThreadLocal使用的是自定义的ThreadLocalMap，接下来我们来探究一下ThreadLocalMap的hash冲突解决方式。

（1） 先回顾ThreadLocal的set() 方法

  public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocal.ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }
    
    ThreadLocal.ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }

• 代码很简单，获取当前线程，并获取当前线程的ThreadLocalMap实例（从getMap(Thread t)中很容易看出来）。
• 如果获取到的map实例不为空，调用map.set()方法，否则调用构造函数 ThreadLocal.ThreadLocalMap(this, firstValue)实例化map。

可以看出来线程中的ThreadLocalMap使用的是延迟初始化，在第一次调用get()或者set()方法的时候才会进行初始化。

（2） 下面来看看构造函数ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue)

 ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        //初始化table
        table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY];
        //计算索引
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        //设置值
        table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
        size = 1;
        //设置阈值
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }

主要说一下计算索引，firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1)。

• 关于& (INITIAL_CAPACITY - 1),这是取模的一种方式，对于2的幂作为模数取模，用此代替%(2^n)，这也就是为啥容量必须为2的冥，在这个地方也得到了解答。
• 关于firstKey.threadLocalHashCode：

 private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
    
    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
    private static AtomicInteger nextHashCode =  new AtomicInteger();
            
    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

​ 这里定义了一个AtomicInteger类型，每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT，HASH_INCREMENT = 0x61c88647,这个值和斐波那契散列有关（这是一种乘数散列法，只不过这个乘数比较特殊，是32位整型上限2^32-1乘以黄金分割比例0.618....的值2654435769，用有符号整型表示就是-1640531527，去掉符号后16进制表示为0x61c88647），其主要目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组里, 也就是Entry[] table中，这样做可以尽量避免hash冲突。

（3） ThreadLocalMap中的set()

​ ThreadLocalMap使用开放地址-线性探测法来解决哈希冲突，线性探测法的地址增量di = 1, 2, ... 其中，i为探测次数。该方法一次探测下一个地址，直到有空的地址后插入，若整个空间都找不到空余的地址，则产生溢出。假设当前table长度为16，也就是说如果计算出来key的hash值为14，如果table[14]上已经有值，并且其key与当前key不一致，那么就发生了hash冲突，这个时候将14加1得到15，取table[15]进行判断，这个时候如果还是冲突会回到0，取table[0],以此类推，直到可以插入。

按照上面的描述，可以把table看成一个环形数组。

先看一下线性探测相关的代码，从中也可以看出来table实际是一个环：

    /**
     * 获取环形数组的下一个索引
     */
    private static int nextIndex(int i, int len) {
        return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
    }

    /**
     * 获取环形数组的上一个索引
     */
    private static int prevIndex(int i, int len) {
        return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
    }

ThreadLocalMap的set()代码如下：

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
        int len = tab.length;
        //计算索引，上面已经有说过。
        int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

        /**
         * 根据获取到的索引进行循环，如果当前索引上的table[i]不为空，在没有return的情况下，
         * 就使用nextIndex()获取下一个（上面提到到线性探测法）。
         */
        for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
             e != null;
             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            //table[i]上key不为空，并且和当前key相同，更新value
            if (k == key) {
                e.value = value;
                return;
            }
            /**
             * table[i]上的key为空，说明被回收了
             * 这个时候说明改table[i]可以重新使用，用新的key-value将其替换,并删除其他无效的entry
             */
            if (k == null) {
                replaceStaleEntry(key, value, i);
                return;
            }
        }