面试必备:ThreadLocal详解

Mr.Dabao2022年11月22日大约 16 分钟

面试必备:ThreadLocal详解

前言

无论是工作还是面试,我们都会跟ThreadLocal打交道,今天就跟大家聊聊ThreadLocal哈~

  1. ThreadLocal是什么?为什么要使用ThreadLocal
  2. 一个ThreadLocal的使用案例
  3. ThreadLocal的原理
  4. 为什么不直接用线程id作为ThreadLocalMap的key
  5. 为什么会导致内存泄漏呢?是因为弱引用吗?
  6. Key为什么要设计成弱引用呢?强引用不行?
  7. InheritableThreadLocal保证父子线程间的共享数据
  8. ThreadLocal的应用场景和使用注意点

1. ThreadLocal是什么?为什么要使用ThreadLocal?

ThreadLocal是什么?

ThreadLocal,即线程本地变量。如果你创建了一个ThreadLocal变量,那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个本地拷贝,多个线程操作这个变量的时候,实际是在操作自己本地内存里面的变量,从而起到线程隔离的作用,避免了并发场景下的线程安全问题。

//创建一个ThreadLocal变量
static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>();

为什么要使用ThreadLocal

并发场景下,会存在多个线程同时修改一个共享变量的场景。这就可能会出现线性安全问题

为了解决线性安全问题,可以用加锁的方式,比如使用synchronized 或者Lock。但是加锁的方式,可能会导致系统变慢。加锁示意图如下:

image-20221122211203216

还有另外一种方案,就是使用空间换时间的方式,即使用ThreadLocal。使用ThreadLocal类访问共享变量时,会在每个线程的本地,都保存一份共享变量的拷贝副本。多线程对共享变量修改时,实际上操作的是这个变量副本,从而保证线性安全。

image-20221122211233009

2. 一个ThreadLocal的使用案例

日常开发中,ThreadLocal经常在日期转换工具类中出现,我们先来看个示例

/**
 * 日期工具类
 */
public class DateUtil {

    private static final SimpleDateFormat simpleDateFormat =
            new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public static Date parse(String dateString) {
        Date date = null;
        try {
            date = simpleDateFormat.parse(dateString);
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return date;
    }
}

我们在多线程环境跑DateUtil这个工具类:

public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(()->{
                System.out.println(DateUtil.parse("2022-07-24 16:34:30"));
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }

运行后,发现报错了:

image-20221122211436426

如果在DateUtil工具类,加上ThreadLocal,运行则不会有这个问题:

/**
 * 日期工具类
 */
public class DateUtil {

    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));

    public static Date parse(String dateString) {
        Date date = null;
        try {
            date = dateFormatThreadLocal.get().parse(dateString);
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return date;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(()->{
                System.out.println(DateUtil.parse("2022-07-24 16:34:30"));
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

运行结果:

Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022
Sun Jul 24 16:34:30 GMT+08:00 2022

刚刚示例中,为什么会报错呢?这是因为SimpleDateFormat不是线性安全的,它以共享变量出现时,并发多线程场景下即会报错。

为什么加了ThreadLocal就不会有问题呢?并发场景下,ThreadLocal是如何保证的呢?我们接下来看看ThreadLocal的核心原理。

3. ThreadLocal的原理

3.1 ThreadLocal的内存结构图

为了有个宏观的认识,我们先来看下ThreadLocal的内存结构图

image-20221122211614138

从内存结构图,我们可以看到:

  • Thread类中,有个ThreadLocal.ThreadLocalMap 的成员变量。
  • ThreadLocalMap内部维护了Entry数组,每个Entry代表一个完整的对象,keyThreadLocal本身,valueThreadLocal的泛型对象值。

3.2 关键源码分析

对照着几段关键源码来看,更容易理解一点哈~我们回到Thread类源码,可以看到成员变量ThreadLocalMap的初始值是为null

public class Thread implements Runnable {
   //ThreadLocal.ThreadLocalMap是Thread的属性
   ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

ThreadLocalMap的关键源码如下:

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

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
    //Entry数组
    private Entry[] table;
    
    // ThreadLocalMap的构造器,ThreadLocal作为key
    ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
        size = 1;
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }
}

ThreadLocal类中的关键set()方法:

 public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread(); //获取当前线程t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);  //根据当前线程获取到ThreadLocalMap
        if (map != null)  //如果获取的ThreadLocalMap对象不为空
            map.set(this, value); //K,V设置到ThreadLocalMap中
        else
            createMap(t, value); //创建一个新的ThreadLocalMap
    }
    
     ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
       return t.threadLocals; //返回Thread对象的ThreadLocalMap属性
    }

    void createMap(Thread t, T firstValue) { //调用ThreadLocalMap的构造函数
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); this表示当前类ThreadLocal
    }
    

ThreadLocal类中的关键get()方法

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();//获取当前线程t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);//根据当前线程获取到ThreadLocalMap
        if (map != null) { //如果获取的ThreadLocalMap对象不为空
            //由this(即ThreadLoca对象)得到对应的Value,即ThreadLocal的泛型值
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value; 
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue(); //初始化threadLocals成员变量的值
    }
    
     private T setInitialValue() {
        T value = initialValue(); //初始化value的值
        Thread t = Thread.currentThread(); 
        ThreadLocalMap map = getMap(t); //以当前线程为key,获取threadLocals成员变量,它是一个ThreadLocalMap
        if (map != null)
            map.set(this, value);  //K,V设置到ThreadLocalMap中
        else
            createMap(t, value); //实例化threadLocals成员变量
        return value;
    }

所以怎么回答ThreadLocal的实现原理?如下,最好是能结合以上结构图一起说明哈~

  • Thread线程类有一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的实例变量threadLocals,即每个线程都有一个属于自己的ThreadLocalMap
  • ThreadLocalMap内部维护着Entry数组,每个Entry代表一个完整的对象,keyThreadLocal本身,valueThreadLocal的泛型值。
  • 并发多线程场景下,每个线程Thread,在往ThreadLocal里设置值的时候,都是往自己的ThreadLocalMap里存,读也是以某个ThreadLocal作为引用,在自己的map里找对应的key,从而可以实现了线程隔离

了解完这几个核心方法后,有些小伙伴可能会有疑惑,ThreadLocalMap为什么要用ThreadLocal作为key呢?直接用线程Id不一样嘛?

4. 为什么不直接用线程id作为ThreadLocalMap的key呢?

举个代码例子,如下:

public class TianLuoThreadLocalTest {

    private static final ThreadLocal<String> threadLocal1 = new ThreadLocal<>();
    private static final ThreadLocal<String> threadLocal2 = new ThreadLocal<>();
 
}

这种场景:一个使用类,有两个共享变量,也就是说用了两个ThreadLocal成员变量的话。如果用线程id作为ThreadLocalMapkey,怎么区分哪个ThreadLocal成员变量呢?因此还是需要使用ThreadLocal作为Key来使用。每个ThreadLocal对象,都可以由threadLocalHashCode属性唯一区分的,每一个ThreadLocal对象都可以由这个对象的名字唯一区分(下面的例子)。看下ThreadLocal代码:

public class ThreadLocal<T> {
  private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
  
  private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
  }
}

然后我们再来看下一个代码例子:

public class TianLuoThreadLocalTest {

    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new Runnable(){
            public void run(){
                ThreadLocal<TianLuoDTO> threadLocal1 = new ThreadLocal<>();
                threadLocal1.set(new TianLuoDTO("公众号:捡田螺的小男孩"));
                System.out.println(threadLocal1.get());
                ThreadLocal<TianLuoDTO> threadLocal2 = new ThreadLocal<>();
                threadLocal2.set(new TianLuoDTO("公众号:程序员田螺"));
                System.out.println(threadLocal2.get());
            }});
        t.start();
    }

}
//运行结果
TianLuoDTO{name='公众号:捡田螺的小男孩'}
TianLuoDTO{name='公众号:程序员田螺'}

再对比下这个图,可能就更清晰一点啦:

image-20221122212319258

5. TreadLocal为什么会导致内存泄漏呢?

5.1 弱引用导致的内存泄漏呢?

我们先来看看TreadLocal的引用示意图哈:

image-20221122212333211

关于ThreadLocal内存泄漏,网上比较流行的说法是这样的:

ThreadLocalMap使用ThreadLocal弱引用作为key,当ThreadLocal变量被手动设置为null,即一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它,当系统GC时,ThreadLocal一定会被回收。这样的话,ThreadLocalMap中就会出现keynullEntry,就没有办法访问这些keynullEntryvalue,如果当前线程再迟迟不结束的话(比如线程池的核心线程),这些keynullEntryvalue就会一直存在一条强引用链:Thread变量 -> Thread对象 -> ThreaLocalMap -> Entry -> value -> Object 永远无法回收,造成内存泄漏。

当ThreadLocal变量被手动设置为null后的引用链图:

image-20221122212346487

实际上,ThreadLocalMap的设计中已经考虑到这种情况。所以也加上了一些防护措施:即在ThreadLocalget,set,remove方法,都会清除线程ThreadLocalMap里所有keynullvalue

源代码中,是有体现的,如ThreadLocalMapset方法:

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

      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;
          }

           //如果k等于null,则说明该索引位之前放的key(threadLocal对象)被回收了,这通常是因为外部将threadLocal变量置为null,
           //又因为entry对threadLocal持有的是弱引用,一轮GC过后,对象被回收。
            //这种情况下,既然用户代码都已经将threadLocal置为null,那么也就没打算再通过该对象作为key去取到之前放入threadLocalMap的value, 因此ThreadLocalMap中会直接替换调这种不新鲜的entry。
          if (k == null) {
              replaceStaleEntry(key, value, i);
              return;
          }
        }

        tab[i] = new Entry(key, value);
        int sz = ++size;
        //触发一次Log2(N)复杂度的扫描,目的是清除过期Entry  
        if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
          rehash();
    }

如ThreadLocal的get方法:

  public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        //去ThreadLocalMap获取Entry,方法里面有key==null的清除逻辑
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

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
          //里面有key==null的清除逻辑
          return getEntryAfterMiss(key, i, e);
    }
        
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;
            // Entry的key为null,则表明没有外部引用,且被GC回收,是一个过期Entry
            if (k == null)
                expungeStaleEntry(i); //删除过期的Entry
            else
                i = nextIndex(i, len);
            e = tab[i];
        }
        return null;
    }

5.2 key是弱引用,GC回收会影响ThreadLocal的正常工作嘛?

到这里,有些小伙伴可能有疑问,ThreadLocalkey既然是弱引用.会不会GC贸然把key回收掉,进而影响ThreadLocal的正常使用?

  • 弱引用:具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。如果一个对象只有弱引用存在了,则下次GC将会回收掉该对象(不管当前内存空间足够与否)

其实不会的,因为有ThreadLocal变量引用着它,是不会被GC回收的,除非手动把ThreadLocal变量设置为null,我们可以跑个demo来验证一下:

  public class WeakReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object object = new Object();
        WeakReference<Object> testWeakReference = new WeakReference<>(object);
        System.out.println("GC回收之前,弱引用:"+testWeakReference.get());
        //触发系统垃圾回收
        System.gc();
        System.out.println("GC回收之后,弱引用:"+testWeakReference.get());
        //手动设置为object对象为null
        object=null;
        System.gc();
        System.out.println("对象object设置为null,GC回收之后,弱引用:"+testWeakReference.get());
    }
}
运行结果:
GC回收之前,弱引用:java.lang.Object@7b23ec81
GC回收之后,弱引用:java.lang.Object@7b23ec81
对象object设置为nullGC回收之后,弱引用:null

结论就是,小伙伴放下这个疑惑了,哈哈~

5.3 ThreadLocal内存泄漏的demo

给大家来看下一个内存泄漏的例子,其实就是用线程池,一直往里面放对象

public class ThreadLocalTestDemo {

    private static ThreadLocal<TianLuoClass> tianLuoThreadLocal = new ThreadLocal<>();


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1, TimeUnit.MINUTES, new LinkedBlockingQueue<>());

        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            threadPoolExecutor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("创建对象:");
                    TianLuoClass tianLuoClass = new TianLuoClass();
                    tianLuoThreadLocal.set(tianLuoClass);
                    tianLuoClass = null; //将对象设置为 null,表示此对象不在使用了
                   // tianLuoThreadLocal.remove();
                }
            });
            Thread.sleep(1000);
        }
    }

    static class TianLuoClass {
        // 100M
        private byte[] bytes = new byte[100 * 1024 * 1024];
    }
}


创建对象:
创建对象:
创建对象:
创建对象:
Exception in thread "pool-1-thread-4" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at com.example.dto.ThreadLocalTestDemo$TianLuoClass.<init>(ThreadLocalTestDemo.java:33)
	at com.example.dto.ThreadLocalTestDemo$1.run(ThreadLocalTestDemo.java:21)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

运行结果出现了OOM,tianLuoThreadLocal.remove();加上后,则不会OOM

创建对象:
创建对象:
创建对象:
创建对象:
创建对象:
创建对象:
创建对象:
创建对象:
......

我们这里没有手动设置tianLuoThreadLocal变量为null,但是还是会内存泄漏。因为我们使用了线程池,线程池有很长的生命周期,因此线程池会一直持有tianLuoClass对象的value值,即使设置tianLuoClass = null;引用还是存在的。这就好像,你把一个个对象object放到一个list列表里,然后再单独把object设置为null的道理是一样的,列表的对象还是存在的。

    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        Object object = new Object();
        list.add(object);
        object = null;
        System.out.println(list.size());
    }
    //运行结果
    1

所以内存泄漏就这样发生啦,最后内存是有限的,就抛出了OOM了。如果我们加上threadLocal.remove();,则不会内存泄漏。为什么呢?因为threadLocal.remove();会清除Entry,源码如下:

    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) {
              //清除entry
              e.clear();
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}

有些小伙伴说,既然内存泄漏不一定是因为弱引用,那为什么需要设计为弱引用呢?我们来探讨下:

6. Entry的Key为什么要设计成弱引用呢?

通过源码,我们是可以看到EntryKey是设计为弱引用的(ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为Key的)。为什么要设计为弱引用呢?

image-20221122212454952

我们先来回忆一下四种引用:

  • 强引用:我们平时new了一个对象就是强引用,例如 Object obj = new Object();即使在内存不足的情况下,JVM宁愿抛出OutOfMemory错误也不会回收这种对象。
  • 软引用:如果一个对象只具有软引用,则内存空间足够,垃圾回收器就不会回收它;如果内存空间不足了,就会回收这些对象的内存。
  • 弱引用:具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。如果一个对象只有弱引用存在了,则下次GC将会回收掉该对象(不管当前内存空间足够与否)。
  • 虚引用:如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。

我们先来看看官方文档,为什么要设计为弱引用:

To help deal with very large and long-lived usages, the hash table entries use WeakReferences for keys.
为了应对非常大和长时间的用途,哈希表使用弱引用的 key。
复制代码

我再把ThreadLocal的引用示意图搬过来:

image-20221122212507215

下面我们分情况讨论:

  • 如果Key使用强引用:当ThreadLocal的对象被回收了,但是ThreadLocalMap还持有ThreadLocal的强引用的话,如果没有手动删除,ThreadLocal就不会被回收,会出现Entry的内存泄漏问题。
  • 如果Key使用弱引用:当ThreadLocal的对象被回收了,因为ThreadLocalMap持有ThreadLocal的弱引用,即使没有手动删除,ThreadLocal也会被回收。value则在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove的时候会被清除。

因此可以发现,使用弱引用作为EntryKey,可以多一层保障:弱引用ThreadLocal不会轻易内存泄漏,对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove的时候会被清除。

实际上,我们的内存泄漏的根本原因是,不再被使用的Entry,没有从线程的ThreadLocalMap中删除。一般删除不再使用的Entry有这两种方式:

  • 一种就是,使用完ThreadLocal,手动调用remove(),把Entry从ThreadLocalMap中删除
  • 另外一种方式就是:ThreadLocalMap的自动清除机制去清除过期Entry.(ThreadLocalMapget(),set()时都会触发对过期Entry的清除)

7. InheritableThreadLocal保证父子线程间的共享数据

我们知道ThreadLocal是线程隔离的,如果我们希望父子线程共享数据,如何做到呢?可以使用InheritableThreadLocal。先来看看demo

public class InheritableThreadLocalTest {

   public static void main(String[] args) {
       ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
       InheritableThreadLocal<String> inheritableThreadLocal = new InheritableThreadLocal<>();

       threadLocal.set("关注公众号:捡田螺的小男孩");
       inheritableThreadLocal.set("关注公众号:程序员田螺");

       Thread thread = new Thread(()->{
           System.out.println("ThreadLocal value " + threadLocal.get());
           System.out.println("InheritableThreadLocal value " + inheritableThreadLocal.get());
       });
       thread.start();
       
   }
}
//运行结果
ThreadLocal value null
InheritableThreadLocal value 关注公众号:程序员田螺

可以发现,在子线程中,是可以获取到父线程的 InheritableThreadLocal 类型变量的值,但是不能获取到 ThreadLocal 类型变量的值。

获取不到ThreadLocal 类型的值,我们可以好理解,因为它是线程隔离的嘛。InheritableThreadLocal 是如何做到的呢?原理是什么呢?

Thread类中,除了成员变量threadLocals之外,还有另一个成员变量:inheritableThreadLocals。它们两类型是一样的:

public class Thread implements Runnable {
   ThreadLocalMap threadLocals = null;
   ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
 }

Thread类的init方法中,有一段初始化设置:

 private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
      
        ......
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
        /* Stash the specified stack size in case the VM cares */
        this.stackSize = stackSize;

        /* Set thread ID */
        tid = nextThreadID();
    }
 static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
        return new ThreadLocalMap(parentMap);
    }

可以发现,当parent的inheritableThreadLocals不为null时,就会将parentinheritableThreadLocals,赋值给前线程的inheritableThreadLocals。说白了,就是如果当前线程的inheritableThreadLocals不为null,就从父线程哪里拷贝过来一个过来,类似于另外一个ThreadLocal,但是数据从父线程那里来的。有兴趣的小伙伴们可以在去研究研究源码~

8. ThreadLocal的应用场景和使用注意点

ThreadLocal很重要一个注意点,就是使用完,要手动调用remove()

ThreadLocal的应用场景主要有以下这几种:

  • 使用日期工具类,当用到SimpleDateFormat,使用ThreadLocal保证线性安全
  • 全局存储用户信息(用户信息存入ThreadLocal,那么当前线程在任何地方需要时,都可以使用)
  • 保证同一个线程,获取的数据库连接Connection是同一个,使用ThreadLocal来解决线程安全的问题
  • 使用MDC保存日志信息。
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