并发编程之ThreadLocal

前言

当多线程访问共享可变数据时，涉及到线程间同步的问题，并不是所有时候，都要用到共享数据，所以就需要线程封闭出场了。

数据都被封闭在各自的线程之中，就不需要同步，这种通过将数据封闭在线程中而避免使用同步的技术称为线程封闭。

本文主要介绍线程封闭中的其中一种体现：ThreadLocal，将会介绍什么是 ThreadLocal；从 ThreadLocal 源码角度分析，最后介绍 ThreadLocal 的应用场景。

什么是ThreadLocal

ThreadLocal 是 Java 里一种特殊变量，它是一个线程级别变量，每个线程都有一个 ThreadLocal 就是每个线程都拥有了自己独立的一个变量，竞态条件被彻底消除了，在并发模式下是绝对安全的变量。

可以通过 ThreadLocal value = new ThreadLocal(); 来使用。

会自动在每一个线程上创建一个 T 的副本，副本之间彼此独立，互不影响，可以用 ThreadLocal 存储一些参数，以便在线程中多个方法中使用，用以代替方法传参的做法。

下面通过例子来了解下 ThreadLocal：

@Slf4j
public class ThreadLocalUtil {

    /**
     * static 确保全局只有一个保存 String 对象的 ThreadLocal 实例
     * final 确保 ThreadLocal 实例不可更改 防止被意外改变 导致存入的值和取出的值不一致，并且还能防止 ThreadLocal 实例内存泄漏
     */
    private static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 主线程设置值
        THREAD_LOCAL.set("主线程值");
        String v = THREAD_LOCAL.get();
        log.info("线程pool-1-thread-1执行之前，" + Thread.currentThread().getName() + " 线程获取到的值为：{}", v);
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        executorService.submit(() -> {
            String s = THREAD_LOCAL.get();
            log.info(Thread.currentThread().getName() + " 线程获取到的值为：{}", s);
            // 子线程设置值
            THREAD_LOCAL.set("子线程值");
            s = THREAD_LOCAL.get();
            log.info("重新设置值之后，" + Thread.currentThread().getName() + " 线程获取到的值为：{}", s);
            log.info(Thread.currentThread().getName() + "线 程执行结束");
            THREAD_LOCAL.remove();
        });
        // 等待子线程执行结束
        Thread.sleep(1000L);
        v = THREAD_LOCAL.get();
        log.info("线程pool-1-thread-1执行之后，" + Thread.currentThread().getName() + " 线程获取到的值为：{}", v);
        THREAD_LOCAL.remove();
    }

}

首先通过 static final 定义了一个 THREAD_LOCAL 变量，其中 static 是为了确保全局只有一个保存 String 对象的 ThreadLocal 实例；

final 确保 ThreadLocal 的实例不可更改，防止被意外改变，导致放入的值和取出来的不一致，另外还能防止 ThreadLocal 的内存泄漏。上面的例子是演示在不同的线程中获取它会得到不同的结果，运行结果如下：

14:33:42.176 [main] INFO com.linkcld.redis.util.ThreadLocalUtil - 线程pool-1-thread-1执行之前，main 线程获取到的值为：主线程值
14:33:42.307 [pool-1-thread-1] INFO com.linkcld.redis.util.ThreadLocalUtil - pool-1-thread-1 线程获取到的值为：null
14:33:42.307 [pool-1-thread-1] INFO com.linkcld.redis.util.ThreadLocalUtil - 重新设置值之后，pool-1-thread-1 线程获取到的值为：子线程值
14:33:42.307 [pool-1-thread-1] INFO com.linkcld.redis.util.ThreadLocalUtil - pool-1-thread-1线 程执行结束
14:33:43.307 [main] INFO com.linkcld.redis.util.ThreadLocalUtil - 线程pool-1-thread-1执行之后，main 线程获取到的值为：主线程值

首先在 pool-1-thread-1 线程执行之前，先给 THREAD_LOCAL 设置为 主线程值，然后可以取到这个值，然后通过创建一个新的线程以后去取这个值，发现新线程取到的为 null，意外着这个变量在不同线程中取到的值是不同的，不同线程之间对于 ThreadLocal 会有对应的副本，接着在线程 pool-1-thread-1 中执行对 THREAD_LOCAL 的修改，将值改为 子线程值，可以发现线程 pool-1-thread-1 获取的值变为了 子线程值，主线程依然会读取到属于它的副本数据 主线程值，这就是线程的封闭。

看到这里，我相信大家一定会好奇 ThreadLocal 是如何做到多个线程对同一对象 set 操作，但是 get 获取的值还都是每个线程 set 的值呢，接下来就让我们进入源码解析环节：

ThreadLocal 源码解析

首先看下 ThreadLocal 都有哪些重要属性：

// 当前 ThreadLocal 的 hashCode 由 nextHashCode 计算得来的，用于计算当前 ThreadLocal 再 ThreadLocalMap 中的索引位置
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
// 哈希魔数，主要与斐波那契散列法和黄金分割相关
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
// 返回计算出的hash值，其值为 i * HASH_INCREMENT，其中 i 代表调用次数
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
// 保证了一台机器上，每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 值是唯一的
rivate static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

其中的 HASH_INCREMENT 也不是随便取的，它转化为十进制是 1640531527，2654435769 转换成 int 类型就是 -1640531527，2654435769 等于 (√5-1)/2 乘以 2 的 32 次方。(√5-1)/2 就是黄金分割数，近似为 0.618，也就是说 0x61c88647 理解为一个黄金分割数乘以 2 的 32 次方，它可以保证 nextHashCode 生成的哈希值，均匀的分布在 2 的幂次方上，且小于 2 的 32 次方。

下面用例子来证明下：

@Slf4j
public class ThreadLocalUtil2 {

    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

    public static void main(String[] args) {
        int n = 5;
        int max = 2 << (n - 1);
        for (int i = 0; i < max; i++) {
            System.out.print(i * HASH_INCREMENT & (max - 1));
            System.out.print(" ");
        }
    }

}

运行结果为：

0 7 14 21 28 3 10 17 24 31 6 13 20 27 2 9 16 23 30 5 12 19 26 1 8 15 22 29 4 11 18 25 

可以发现元素索引值完美的散列在数组当中，并没有出现冲突。

ThreadLocalMap

除了上述属性外，还有一个重要的属性 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的静态内部类，当一个线程有多个 ThreadLocal 时，需要一个容器来管理多个 ThreadLocal，ThreadLocalMap 的作用就是管理线程中多个 ThreadLocal，源码如下：

static class ThreadLocalMap {
    // 键值对的存储结构
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        // ThreadLocal 对应的value值
        Object value;
        
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            // ThreadLocal 是弱引用的，当GC时会被回收掉，但是 value 不会被回收
            super(k);
            value = v;
        }
    }
    // 默认初始容量 16 必须是2的幂
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    // 底层时 Entry 数组，根据需要进行扩容，数组的大小必须是 2 的幂
    private Entry[] table;
    // 数组的大小
    private int size = 0;
    // 数组的扩容阈值 默认是 0
    private int threshold;
    // 数组扩容阈值为 长度的 2/3
    private void setThreshold(int len) {
        threshold = len * 2 / 3;
    }

}

从源码中看到 ThreadLocalMap 其实就是一个简单的 Map 结构，底层是数组，有初始化大小，也有扩容阈值大小，数组的元素是 Entry，Entry 的 key 就是 ThreadLocal 的引用，value 是 ThreadLocal 的值。ThreadLocalMap 解决 hash 冲突的方式采用的是线性探测法，如果发生冲突会继续寻找下一个空的位置。

这样的就有可能会发生内存泄漏的问题，下面让我们进行分析：

ThreadLocal 内存泄漏

ThreadLocal 在没有外部强引用时，发生 GC 时会被回收，那么 ThreadLocalMap 中保存的 key 值就变成了 null，而 Entry 又被 threadLocalMap 对象引用，threadLocalMap 对象又被 Thread 对象所引用，那么当 Thread 一直不终结的话，value 对象就会一直存在于内存中，也就导致了内存泄漏，直至 Thread 被销毁后，才会被回收。

那么如何避免内存泄漏呢？

在使用完 ThreadLocal 变量后，需要我们手动 remove 掉，防止 ThreadLocalMap 中 Entry 一直保持对 value 的强引用，导致 value 不能被回收，其中 remove 源码如下所示：

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

remove 方法的时序图如下所示：

remove 方法是先获取到当前线程的 ThreadLocalMap，并且调用了它的 remove 方法，从 map 中清理当前 ThreadLocal 对象关联的键值对，这样 value 就可以被 GC 回收了。

那么 ThreadLocal 是如何实现线程隔离的呢？

ThreadLocal 的 set 方法

我们先去看下 ThreadLocal 的 set 方法，源码如下：

// set 方法
public void set(T value) {
    // 获取当前thread信息 
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程所在的 ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // map 不为空直接set值
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
    // map 为空时，需要先创建 map
        createMap(t, value);
}

// 创建map，并保存值
void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

set 方法的作用是把我们想要存储的 value 给保存进去。set 方法的流程主要是：

• 先获取到当前线程的引用
• 利用这个引用来获取到 ThreadLocalMap
• 如果 map 为空，则去创建一个 ThreadLocalMap
• 如果 map 不为空，就利用 ThreadLocalMap 的 set 方法将 value 添加到 map 中

set 方法的时序图如下所示：

其中 map 就是我们上面讲到的 ThreadLocalMap，可以看到它是通过当前线程对象获取到的 ThreadLocalMap，接下来我们看 getMap方法的源代码：

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

getMap 方法的作用主要是获取当前线程内的 ThreadLocalMap 对象，原来这个 ThreadLocalMap 是线程的一个属性，下面让我们看看 Thread 中的相关代码：

// ThreadLocalMap 是线程的一个属性，所以可以保证在多线程环境下的线程安全
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

可以看出每个线程都有 ThreadLocalMap 对象，被命名为 threadLocals，默认为 null，所以每个线程的 ThreadLocals 都是隔离独享的。

调用 ThreadLocalMap.set() 时，会把当前 threadLocal 对象作为 key，想要保存的对象作为 value，存入 map。

其中 ThreadLocalMap.set() 的源码如下：

// ThreadLocalMap set 方法
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 计算 key 在数组中的下标
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    // 遍历数组，找到 threadLocal 对象
    for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        // 获取下标位置处的 ThreadLocal 对象
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        // 键值 ThreadLocal 匹配成功的话，直接更新 map 对于下标的 value 值
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        
        // 如果 key 不存在的话，说明 ThreadLocal 被GC清理了，直接替换掉 
        if (k == null) {
            // 替换 Entry 方法
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }
    // 直接遇到了空槽也没有匹配到ThreadLocal对象，那么在此空槽处保存ThreadLocal对象和value值
    tab[i] = new Entry(key, value);
    // 数组长度+1
    int sz = ++size;
    // 如果没有卡槽需要清理并且数组长度 大于等于 数组长度的 2/3，数组需要扩容
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        // 扩容的过程就是对所有的 key 进行重新哈希的过程
        rehash();
}

// 判断是否有卡槽需要清理的方法
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;
            // 清理卡槽的数据
            i = expungeStaleEntry(i);
        }
    } while ( (n >>>= 1) != 0);
    return removed;
}

相信到这里，大家应该对 Thread、ThreadLocal 以及 ThreadLocalMap 的关系有了进一步的理解，下图为三者之间的关系：

ThreadLocal 的 get 方法

了解完 set 方法后，让我们看下 get 方法，源码如下：

// ThreadLocal get 方法
public T get() {
    // 获取当前线程 
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取ThreadLocalMap 方法
    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;
        }
    }
    // 如果 map 为空的话，需要初始化 map 
    return setInitialValue();
}

// 初始化 map 方法，返回的值 null
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);
    return value;
}

get 方法的主要流程为：

• 先获取到当前线程的引用
• 获取当前线程内部的 ThreadLocalMap
• 如果 map 存在，则获取当前 ThreadLocal 对应的 value 值
• 如果 map 不存在或者找不到 value 值，则调用 setInitialValue() 进行初始化

get 方法的时序图如下所示：

其中每个 Thread 的 ThreadLocalMap 以 threadLocal 作为 key，保存自己线程的 value 副本，也就是保存在每个线程中，并没有保存在 ThreadLocal 对象中。

其中 ThreadLocalMap.getEntry() 方法的源码如下

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);
}

ThreadLocalMap 的 resize 方法

当 ThreadLocalMap 中的 ThreadLocal 的个数超过容量阈值时，ThreadLocalMap 就要开始扩容了，我们一起来看下 resize 的源代码：

// 当需要扩容的时候，需要重新哈希
private void rehash() {
    // 清除需要清理的卡槽
    expungeStaleEntries();

    // 使用较低的阈值进行加倍以避免磁滞。2/3 * size * 3/4 = 1/2 * size
    if (size >= threshold - threshold / 4)
        // 扩容
        resize();
}

// 扩容算法，数组容量 * 2
private void resize() {
    Entry[] oldTab = table;
    int oldLen = oldTab.length;
    // 新的数组长度 = 旧长度*2
    int newLen = oldLen * 2;
    Entry[] newTab = new Entry[newLen];
    int count = 0;
    // 将数据重新哈希之后放到新数组中
    for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
        Entry e = oldTab[j];
        if (e != null) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            // 如果有需要清理的ThreadLocal，把value置空，方便GC回收
            if (k == null) {
                e.value = null; // Help the GC
            } else {
                int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                while (newTab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, newLen);
                newTab[h] = e;
                count++;
            }
        }
    }
    // 设置新的扩容阈值
    setThreshold(newLen);
    size = count;
    table = newTab;
}

resize 方法主要是进行扩容，同时会将垃圾值标记方便 GC 回收，扩容后数组大小是原来数组的两倍。

ThreadLocal 应用场景

ThreadLocal 的特性也导致了应用场景比较广泛，主要的应用场景如下：

• 线程间数据隔离，各线程的 ThreadLocal 互不影响
• 方便同一个线程使用某一对象，避免不必要的参数传递
• 全链路追踪中的 traceId 或者流程引擎中上下文的传递一般采用 ThreadLocal
• Spring 事务管理器采用了 ThreadLocal
• Spring MVC 的 RequestContextHolder 的实现使用了 ThreadLocal