ThreadLocal底层源码解析

ThreadLocal:顾名思义的意思是本地线程或者局部线程的意思,其真正含义是希望多个线程之间拥有自己的局部变量,多个线程间拥有自己的私人变量,在多线程间不被共享,被线程单独享用,这就是ThreadLocal设计之初的原衷

因此,无论是操作系统级别还是编程语言中,我们都能看到ThreadLocal的设计实现.

1.ThreadLocal原理

ThreadLocal如何实现线程隔离?

具体来说，ThreadLocal在每个线程中维护了一个ThreadLocalMap对象。ThreadLocalMap是一个散列表，其中键是ThreadLocal变量的引用，值是ThreadLocal变量的值。

具体来看Get方法的实现:

1.1.Get方法

 public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

1. 获取当前线程,并获取当前线程的散列映射,也就是存储value的地方,根据当前散列映射判断键值对是否存在,不存在则说明未初始化,之后调用getEntry方法获取ThreadLocalMap的entry,也就是存放键和值的地方,至于这个键值是什么,后面再看,如果没有拿到,就同时去进行初始化setInitialvalue.

1.2.setInitialValue初始化方法

在一开始线程的局部变量没初始化设置好的情况下,这个方法是一定会被调用的,因此了解他的内部实现是有必要的

 private T setInitialValue() {
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            map.set(this, value);
        } else {
            createMap(t, value);
        }
        if (this instanceof TerminatingThreadLocal) {
            TerminatingThreadLocal.register((TerminatingThreadLocal<?>) this);
        }
        return value;
    }

1. 先初始化他内部的值,这个值默认情况下为null
2. 然后获取当前线程,根据当前线程获取他的ThreadLocalMap
3. 如果ThreadLocalMap存在则进行初始化赋值,如果不存在则创造
4. 最后返回value.

• 注:ThreadLocal并不是传统意义上的散列映射
• set方法的实现类似

1.3.ThreadLocalMap的具体实现

static class ThreadLocalMap {

        /**
         * The entries in this hash map extend WeakReference, using
         * its main ref field as the key (which is always a
         * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
         * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
         * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
         * as "stale entries" in the code that follows.
         */
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

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

ThreadLocalMap是一个静态内部类,同样内部也包含一个静态内部类Entry,实现其真正value的存储方式,并继承弱引用,因此Entry的真正的实现是一个简单的Object的对象去存储的value,除此之外还包括几个重要成员对象

        /**
         * The initial capacity -- MUST be a power of two.
         */
        private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

        /**
         * The table, resized as necessary.
         * table.length MUST always be a power of two.
         */
        private Entry[] table;

        /**
         * The number of entries in the table.
         */
        private int size = 0;

        /**
         * The next size value at which to resize.
         */
        private int threshold; // Default to 0

用来修饰散列表的一些重要字段,散列表的真正实现是这个table数组,而每一个Entry中的value就是其Object对象,根据其内部构造实现,便可以明白这个K也就是键是其ThreadLocal对象本身,也就是这个引用

• 接下来就是面对这个散列表时,value的具体存储实现了

1.4.ThreadLocalMap的set方法

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

            // We don't use a fast path as with get() because it is at
            // least as common to use set() to create new entries as
            // it is to replace existing ones, in which case, a fast
            // path would fail more often than not.

            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();

                if (k == key) {
                    e.value = value;
                    return;
                }

                if (k == null) {
                    replaceStaleEntry(key, value, i);
                    return;
                }
            }

            tab[i] = new Entry(key, value);
            int sz = ++size;
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                rehash();
        }

1. 简言之就是获取当前ThreadLocal对象的散列映射,然后根据当前ThreadLocal计算哈希值确认索引位置
2. 获取索引位置对应的Entry数组的对象位置,依次向下nextIndex循环,每次循环拿到对应Entry对象,如果有相同的哈希值的Entry对象,则将Entry对象的值赋值为value,如果找不到相同哈希值的Entry对象,那么调用replaceStaleEntry去替换旧的Entry对象
3. 最后size++(前提是e!=null,也就是说Entry对象不存在,就不会在循环里面走,立刻跳出,赋值一个新的Entry对象),同时判断size字段是否大于threshold字段,并且cleanSomeSlots方法返回false,则进行rehash方法重新哈希数组

为什么需要调用cleanSomeSlots方法:这个方法的目的是为了清除一些旧的value对象,也就是Entry对象,底层他会去部分遍历这个散列表,直到n的值为0,也就是sz的值为0,也就是为了避免内存的占用,至于内存泄露后面再将

1.5.ThreadLocalMap的remove方法

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                if (e.get() == key) {
                    e.clear();
                    expungeStaleEntry(i);
                    return;
                }
            }
        }

其思路很清晰,就是查找相同Entry对象,然后进行清除clear,这个方法实际上是将referent这个字段设置为null,是Reference中的一个字段,用来帮助我们进行GC回收的,expungeStaleEntry方法则是真正用来帮我们进行Entry对象和值的回收,设置为null.因此调用clear方法实际上就显式地回收了我们弱引用关联的对象,避免了内存泄漏的问题.而这个referent实际上也就是我们一开始对Entry对象进行初始化的ThreadLocal这个键.

1.6.ThreadLocalMap的getEntry方法

这个方法是真正去查找ThreadLocalMap中对饮Entry对象的方法，具体实现如下：

   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);
        }

• 根据哈希运算得到对应的索引位置，查找对应的Entry对象,如果找到符合条件就返回,如果没有就调用getEntryAfterMiss方法

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;
        }

• 这个方法其实也就是哈希表的开放地址法,没有类似HashMap去采用链地址开放去解决哈希冲突,因此会一次次向下去寻找,如果发现Entry对象的k为null,那么调用expungeStaleEntry方法,这个方法在此之前也出现过,简单的英文释义是:擦去稳定的Entry对象,具体实现后面在看.

1.7.ThreadLocalMap的expungeStaleEntry方法

这个方法的设计比较重要,主要是用于清除没有用的ThreadLocal,还有进行重新哈希的一个过程,具体实现如下:

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;

            // expunge entry at staleSlot
            tab[staleSlot].value = null;
            tab[staleSlot] = null;
            size--;

            // Rehash until we encounter null
            Entry e;
            int i;
            for (i = nextIndex(staleSlot, len);
                 (e = tab[i]) != null;
                 i = nextIndex(i, len)) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                if (k == null) {
                    e.value = null;
                    tab[i] = null;
                    size--;
                } else {
                    int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
                    if (h != i) {
                        tab[i] = null;

                        // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                        // null because multiple entries could have been stale.
                        while (tab[h] != null)
                            h = nextIndex(h, len);
                        tab[h] = e;
                    }
                }
            }
            return i;
        }

1. 先将索引位置的key,value置空
2. 第二步就是rehash去进行清除和运算
3. 所谓的清除就是对Entry对象的key为null的Entry对象进行一个回收,所谓的运算就是因为在set方法中,解决哈希冲突的实现是通过开放地址法去解决的,因此在某些Entry对象进行清理之后,这些对象的索引位置重新进行安排

1.8.ThreadLocalMap的cleanSomeSlots部分清除方法

在set方法中,这个方法有使用到,他的真正含义就是去部分清除一些对象

 private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
            boolean removed = false;
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            do {
                i = nextIndex(i, len);
                Entry e = tab[i];
                if (e != null && e.get() == null) {
                    n = len;
                    removed = true;
                    i = expungeStaleEntry(i);
                }
            } while ( (n >>>= 1) != 0);
            return removed;
        }

1. 参数解释：
   • int i：起始索引，指明从哪个位置开始检查。
   • int n：控制扫描范围的参数，方法会扫描大约n/2个插槽。
2. 循环扫描：
   • 方法使用一个do-while循环来遍历哈希表的一部分。
   • 在每次迭代中，它使用nextIndex(i, len)来移动到下一个索引。
   • 如果发现任何条目的ThreadLocal引用为null（意味着没有线程再使用它），则调用expungeStaleEntry(i)来清理这个条目，并重置扫描范围（n = len）。

可以看到这是一种均衡策略,在清除和时间效率上做出的一种决策,如果发现有引用为null的情况,就可能存在垃圾的问题,因此需要去重新调用expungeStaleEntry方法进行一个清除,因此这个方法的清理类似抽样调查

为什么在set方法最后,如果添加了一个新的Entry就需要去调用这个方法?

我的理解是这样的,如果没有定期去清除,就不能确保哈希表的健康和效率,只添加元素而不做任何监控,这对于任何一件事情来说都是一种不可控的风险.因此在时间上,对于我们整个Entry而言,也是局部抽样的方式去进行检查

1.9ThreadLocalMap的replaceStaleEntry方法

这个方法的实现相对于其他方法要复杂很多,其核心思想就是进行Entry的替换

具体实现如下:

 private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
                                       int staleSlot) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            Entry e;

            // Back up to check for prior stale entry in current run.
            // We clean out whole runs at a time to avoid continual
            // incremental rehashing due to garbage collector freeing
            // up refs in bunches (i.e., whenever the collector runs).
            int slotToExpunge = staleSlot;
            for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
                 (e = tab[i]) != null;
                 i = prevIndex(i, len))
                if (e.get() == null)
                    slotToExpunge = i;

            // Find either the key or trailing null slot of run, whichever
            // occurs first
            for (int i = nextIndex(staleSlot, len);
                 (e = tab[i]) != null;
                 i = nextIndex(i, len)) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();

                // If we find key, then we need to swap it
                // with the stale entry to maintain hash table order.
                // The newly stale slot, or any other stale slot
                // encountered above it, can then be sent to expungeStaleEntry
                // to remove or rehash all of the other entries in run.
                if (k == key) {
                    e.value = value;

                    tab[i] = tab[staleSlot];
                    tab[staleSlot] = e;

                    // Start expunge at preceding stale entry if it exists
                    if (slotToExpunge == staleSlot)
                        slotToExpunge = i;
                    cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
                    return;
                }

                // If we didn't find stale entry on backward scan, the
                // first stale entry seen while scanning for key is the
                // first still present in the run.
                if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
                    slotToExpunge = i;
            }

            // If key not found, put new entry in stale slot
            tab[staleSlot].value = null;
            tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

            // If there are any other stale entries in run, expunge them
            if (slotToExpunge != staleSlot)
                cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
        }

rehash之前的几步都很明白,不过多讲解,直接从Rehash看起

• 我们要去思考在key为null的情况下,为什么会调用这个方法

1. 可以看到这个for循环是向前遍历的,这是一个大前提,在第一个for循环中向前查找第一个key为null的情况,因为一旦遇到Entry对象存在的情况,就会退出,因此回过头去看set方法时是向后遍历,与这里是反向,也就是调用这个方法的前提是此Entry对象前的Entry对象的key存在且不是我要替换的key(也就不是相同的哈希值),但是由于此时此Entry对象前存在的对象如果发生GC的情况下,此时我们存放此Entry对象的位置应该放在前面那一个位置

   

2. 因此第一遍扫描是解决了一个同一时间的问题,那下一次for循环又是解决什么问题,如果在我们对索引为2的位置(图中为null的第一个区域)此时进行了安置,然后前一项发生了GC进行了处理.现在来看循环退出条件是Entry对象不为null,也就是说如果遇到适合的位置,为null,则直接进行赋值,和我们的set方法有相似之处,如果没有说明此时的位置可能存在Entry对象了,后续操作就是如果找到了相同的Key,那么进行替换,同时if (slotToExpunge == staleSlot)如果满足,说明 staleSlot 之前没有需要清理的元素，那么就将 slotToExpunge 设置 i，意思是从当前元素开始进行清理,因为如果staleSlot之前的位置有需要清理的元素,两者就不会相等(参考第一个for循环).

2.Thread与ThreadLocal与ThreadLocalMap的关系

废话不多说,上图:

示例:

public class ThreadLocalExample {

    // 创建三个线程局部变量
    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocalVar1 = new ThreadLocal<>();
    private static final ThreadLocal<String> threadLocalVar2 = new ThreadLocal<>();
    private static final ThreadLocal<Boolean> threadLocalVar3 = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 线程1
        new Thread(() -> {
            threadLocalVar1.set(100);
            threadLocalVar2.set("Hello");
            threadLocalVar3.set(true);

            System.out.println("Thread 1: " + threadLocalVar1.get());
            System.out.println("Thread 1: " + threadLocalVar2.get());
            System.out.println("Thread 1: " + threadLocalVar3.get());
        }).start();

        // 线程2
        new Thread(() -> {
            threadLocalVar1.set(200);
            threadLocalVar2.set("World");
            threadLocalVar3.set(false);

            System.out.println("Thread 2: " + threadLocalVar1.get());
            System.out.println("Thread 2: " + threadLocalVar2.get());
            System.out.println("Thread 2: " + threadLocalVar3.get());
        }).start();
    }
}

因此我们实际上发现其实ThreadLocal可以在不同的线程之间进行复用,只不过这个具体存储的value只和每个线程独有的Entry有关.

3.ThreadLocal的内存泄露问题

这个问题看到这里其实就可以很容易的理解了,因为对于Entry对象而言,他的key作为ThreadLocal引用,是一个弱引用对象,也就是说当ThreadLocal对象没有在被强引用对象引用的时候,当触发GC就会进行垃圾回收,但Entry对象中的value对象也就是Object对象是未被回收的一个状态,就可能导致内存垃圾的存在,导致内存泄漏问题.

如何解决内存泄漏问题

在次之前我们看到了如果手动调用remove方法是可以避免内存泄漏的问题,因此最简单的方法就是手动调用remove方法进行垃圾回收.