JUC---ThreadLocal原理详解

什么是ThreadLocal？

通常情况下，我们创建的变量是可以被任何一个线程访问并修改的。如果想实现每一个线程都有自己的专属本地变量该如何解决呢？

JDK 中自带的ThreadLocal类正是为了解决这样的问题。 ThreadLocal类主要解决的就是让每个线程绑定自己的值，可以将ThreadLocal类形象的比喻成存放数据的盒子，盒子中可以存储每个线程的私有数据。

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本地副本，这也是ThreadLocal变量名的由来。他们可以使用 get() 和 set() 方法来获取默认值或将其值更改为当前线程所存的副本的值，从而避免了线程安全问题

ThreadLocal 原理了解吗？

最终的变量是放在了当前线程的 ThreadLocalMap 中，并不是存在 ThreadLocal 上，ThreadLocal 可以理解为只是ThreadLocalMap的封装，传递了变量值。 ThreadLocal 类中可以通过Thread.currentThread()获取到当前线程对象后，直接通过getMap(Thread t)可以访问到该线程的ThreadLocalMap对象。

每个Thread中都具备一个ThreadLocalMap，而ThreadLocalMap可以存储以ThreadLocal为 key ，Object 对象为 value 的键值对。

在ThreadLocal类中有静态内部类ThreadLocalMap，在ThreadLocalMap类中也有静态内部类Entry，而这个Entry类继承自WeakReference

static class ThreadLocalMap {  static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {  Object value;  Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {  super(k);  value = v;  }  }
//.....
}

比如我们在同一个线程中声明了两个 ThreadLocal 对象的话， Thread内部都是使用仅有的那个ThreadLocalMap 存放数据的，ThreadLocalMap的 key 就是 ThreadLocal对象，value 就是 ThreadLocal 对象调用set方法设置的值。

ThreadLocal 数据结构如下图所示：

在每条线程Thread内部有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals，这个threadLocals就是每条线程用来存储变量副本的，key值为当前ThreadLocal对象，value为变量副本（即T类型的变量）。每个Thread线程对象最开始的threadLocals都为空，当线程调用ThreadLocal.set()或ThreadLocal.get()方法时(get方法待会而会分析到)，都会调用createMap()方法对threadLocals进行初始化。然后在当前线程里面，如果要使用副本变量，就可以通过get方法在threadLocals里面查找。

ThreadLocalMap

ThreadLocal的原理是涉及三个核心类：ThreadLocal、Thread以及ThreadLocalMap类。在Thread类中存在两个成员变量：threadLocals与inheritableThreadLocals，这两个成员变量的类型都为ThreadLocalMap，经过一系列分析后我们可以得知，这两个成员变量是存储线程变量副本的最终容器，而前面也曾提到过：ThreadLocalMap是ThreadLocal中定制版的HashMap，但是它并没有实现Map接口，而是自己内部通过数组类型存储Entry实现。而Entry只是简单的继承了WeakReference弱引用，并没有没有实现类似HashMap中Node.next的后继节点指向，所以ThreadLocalMap并不是链表形式的实现。哪没有了链表结构之后，ThreadLocalMap是如何解决哈希冲突的呢？

ThreadLocalMap是如何解决哈希冲突的呢？ ---开放寻址法

在调用createMap()方法创建ThreadLocalMap示例时，在ThreadLocalMap的构造方法中，会为成员变量table初始化一个长度为16的Entry数组，通过hashCode与length位运算确定出一个下标索引值i，这个i就是被存储在table数组中的下标位置。

每条线程的threadlocals都会在内部维护独立table数组，而每个ThreadLocal对象在不同的线程table中位置都是相同的。对于同一条线程而言，不同的ThreadLocal变量副本都会被封装成一个个的Entry对象存储在自己内部的table中。

ok~，接着往下说，经过int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);计算出索引下标值之后，会开始遍历table，然后会开始判断，如果table[i]位置不为空，但是原本的key值和现在新的key值是相同的情况下，则使用现在的新值替换掉之前的老值，刷新value值并返回；如果table[i]位置为空，则创建一个的Entry对象封装K-V值并将该对象放在table[i]位置；如果table[i]位置不为空并且Key不相同时，哪就调用nextIndex(i,len)获取下一个位置信息并判断下一个位置是否为空，直到找到为空的位置为止；在table[i]位置不为空并且Key不相同的情况下，如果遍历完整个table数组也没有找到为空的下标位置时，代表数组已经存满了需要扩容，则调用rehash()对数组扩容两倍

整个ThreadLocalMap存储过程结束，如下：

在get时，也会根据ThreadLocal对象的哈希值跟table数组长度进行计算获取下标索引值i，然后判断该位置Entry对象的key值与get(key)的key是否相同，如果相同则直接获取该位置的值并返回。如果不相同则遍历整个数组中table[i]之后的所有元素，循环判断下一个位置的key是否与传入进来的key一致，如果一致则获取返回

ThreadLocal 内存泄露问题是怎么导致的？

ThreadLocalMap 中使用的 key 为 ThreadLocal 的弱引用，而 value 是强引用。所以，如果 ThreadLocal 没有被外部强引用的情况下，在垃圾回收的时候，key 会被清理掉，而 value 不会被清理掉。

这样一来，ThreadLocalMap 中就会出现 key 为 null 的 Entry。假如我们不做任何措施的话，value 永远无法被 GC 回收，这个时候就可能会产生内存泄露。ThreadLocalMap 实现中已经考虑了这种情况，在调用 set()、get()、remove() 方法的时候，会清理掉 key 为 null 的记录。使用完 ThreadLocal方法后最好手动调用remove()方法

可不可以把value也变成弱引用？

不可以。因为存进ThreadLocal中正在使用的对象，在线程的栈中也有引用的，这是一根强引用指针，所以只要线程还在使用，就算内存不足，对应的Key也不会被回收；反之，如果key和value的关系都设计成弱引用，这时假设内存不足，触发GC就会导致value被回收，因为线程本身不直接持有value，而是通过key来间接性的访问value，如果value也是弱引用，就会出现“key还在，value因为内存不足，导致被GC回收”的问题

可不可以把key变成强引用？

不可以。既然key被设计成了弱引用，所以才会导致key=null的情况出现，那假设把key设计成强引用，是不是就解决了这个问题呢？先看个例子：

public static void main(String[] args) {  ThreadLocal TL = new ThreadLocal();  TL.set(new Object());  TL = null;  
}  

这里创建了一个ThreadLocal对象TL，并设置一个Object对象，然后将其置空。如果Key是强引用的话，TL无法被回收，也无法被访问，Object无法被回收，也无法被访问，Key和Value同时出现了内存泄漏。

为啥K-V都内存泄漏了呢？因为最后一行置空代码，只能将main线程栈中的引用置空，而Thread对象内部有一个threadLocals成员，依旧会保持与ThreadLocalMap的引用，而Map的Key又强引用自ThreadLocal，这时main线程的栈，虽然没有引用这个TL，但Map却在引用着它，最终就导致了K-V都内存泄漏。

上面也是ThreadLocalMap中，为什么Key被设计成弱引用的原因，而且ThreadLocal也在尽可能的避免内存泄漏，当你调用set/get/remove()方法时，都会清理过期的Key（调用remove方法是最有效的）

综上所述：key设计成弱引用反而是最好的选择

ThreadLocalMap扩容机制了解吗？

1. 触发扩容的条件
   • ThreadLocalMap的初始容量是 16，它在存储元素时，当元素个数达到阈值（threshold）就会触发扩容。阈值的计算方式是数组容量（table.length）的三分之二。
   • 例如，初始容量为 16 时，当存储的元素个数达到16 * 2/3 = 10（向下取整）个元素时，就会触发扩容。
2. 扩容过程
   • 扩容是创建一个新的Entry数组，新数组的大小是原来的两倍。
   • 然后遍历旧数组中的所有Entry，将其重新哈希（rehash）到新数组中。在重新哈希的过程中，会处理可能出现的哈希冲突。
   • 对于哈希冲突，ThreadLocalMap采用线性探测法来解决。即当发生冲突时，会顺序查找下一个可用的位置来存储元素。在扩容后的重新哈希过程中，这个线性探测的逻辑也会起作用。
   • 假设旧数组中有一个Entry在位置i，重新哈希时，它会先计算新的索引位置i' = i & (newLength - 1)（其中newLength是新数组的长度），如果这个位置没有被占用，就将Entry放入该位置；如果被占用了，就会线性探测下一个位置，直到找到一个空闲位置。

ThreadLocal怎么实现线程隔离的？

由于每个线程都有自己独立的ThreadLocalMap，所以不同线程之间的ThreadLocal变量是相互隔离的。即使多个线程使用了相同的ThreadLocal对象，它们所操作的也是各自线程中的变量副本，不会相互影响。

要说是怎么实现线程隔离的，其实就是在set()、get()方法的具体实现，我们set的值，为什么不会被其他的线程所读取。

Set()方法：

public void set(T value) {// 1、获取当前线程Thread t = Thread.currentThread();// 2、获取当前线程的threadlocals成员变量ThreadLocalMap map = getMap(t);// 3、判断map是否为nullif (map != null)// 如果不为null，就直接将value放进map中// key是当前的threadLocal，value就是传进来的值map.set(this, value);else// 如果为 null，初始化一个map，再将value 放进map中// key是当前的threadLocal，value就是传进来的值createMap(t, value);
}

Get()方法：

public T get() {// 获取到当前线程Thread t = Thread.currentThread();// 2、获取当前线程的threadlocals成员变量ThreadLocalMap map = getMap(t);//3、判断map是否为nullif (map != null) //3.1、如果不为null，根据当前的ThreadLocal 从当前线程中的ThreadLocals中取出map存储的变量副本ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);// 如果存储的值不为null，就返回值if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T)e.value;return result;}}//return setInitialValue();
}

• 当在一个线程中调用ThreadLocal的get()方法获取变量值时，它会首先获取当前线程的ThreadLocalMap，然后根据当前的ThreadLocal对象作为键，从ThreadLocalMap中查找对应的变量值并返回。如果找不到，则会返回null或根据初始化方法返回默认值。

这就是ThreadLocal的原理~~~❤️❤️❤️