ThreadLocal解析

什么是ThreadLocal

大家是否了解JMM(java内存模型),它主要是为了解决多线程下的共享内存操作问题,为了保证数据一致性,我们在自己的工作内存操作修改变量后,会提交到主内存中进行覆盖,并且使其他线程中工作内存中的共享变量删除,使得其他线程在自己的工作内存中访问不到该共享变量副本,只能到主内存中去访问。这样就很好的保证了数据的可见性。但是,有时候我们希望在自己工作内存中修改共享变量副本后,不希望其他工作内存知道,即保持不可见性。那该怎么办呢,这是就要使用ThreadLocal了。

ThreadLocal简单的说就是为每个线程创建一个单独的变量副本,它们之间是相互独立的。

一个常用的应用场景是数据库的连接,如果不用ThreadLocal,一个线程执行查询操作,一个线程却先执行了关闭操作,显然这样是不行的。但是也有人问,直接在每个方法中自己设置了一连接就行了,但是这样会导致服务器压力大,并且严重影响程序执行性能。

设计思想

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是要存储的值。

ThreadLocal解析
public class Thread implements Runnable {
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}
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既然要使用到哈希表,那它是如何解决哈希冲突的呢?

HashMap不同,它没有采用链地址法的思想,而是采用了开放定址法。简单的说,就是根据hashcode计算获得数组地址下标时,如果发现该位置已经被占用了,那么它向后一位或多位再进行判断。

那它为什么要使用开放定址法呢?

1)ThreadLocal中有一个神奇的属性 HASH_INCREMENT = 0x61c88647 ,并利用AtomicInteger进行累加,它能够将哈希值均匀的分布在2的N次方的数组里。

2)ThreadLocal往往存放的数据量不会特别大,而且key是弱引用,会被垃圾回收,采用开放定址法会更省空间,而且查询效率更高。

private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}
private static int prevIndex(int i, int len) {
    return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}
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重要方法

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)
            return (T)e.value;
    }
    return setInitialValue();
}

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

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;
}
protected T initialValue() {
    return null;
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
 private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
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);
        }
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主要步骤:

1)获取当前线程的ThreadLocalMap,以当前的ThreadLocal为key,调用getEntry()查找,如果找到,就返回该值

2)如果当前map不为空的话,则设置当前ThreadLocal为key的value为null.

3) 如果map为空,则要创建一个map,并设置当前ThreadLocal为key,value为null.

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
private static AtomicInteger nextHashCode =
        new AtomicInteger();
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
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);
        }
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从上面我们可以看出ThreadLocal的hashcode()是AtomicInteger加上 0x61c88647 来实现的。

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
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从上面的 get() 方法中可以看出,我们获取的是一个加上弱引用的ThreadLocal,那它为什么要加上弱引用呢?我先介绍一下什么是弱引用。

在jvm中有四种引用,强引用、软引用、弱引用、虚引用。

具体的解释可以参考这篇: 引用解释

如果key使用强引用,会出现一个问题,引用的ThreadLocal的对象被回收了,但是ThreadLocalMap还持有ThreadLocal的强引用,如果没有手动删除,ThreadLocal不会被回收,则会导致内存泄漏。

如果key使用弱引用,引用的ThreadLocal的对象被回收了,由于ThreadLocalMap持有ThreadLocal的弱引用,即使没有手动删除,ThreadLocal也会被回收。

从上面分析中可以看出,由于ThreadLocalMap的生命周期和Thread一样长,如果没有手动删除对应的key的value就会导致内存泄漏,当key是弱引用时,可以被垃圾回收,但是value又是强引用,不会被垃圾回收,所以会发生内存泄漏。

为了避免上述发生的内存泄漏,它是怎么解决的呢?

它在 get() , set()remove() 方法中,都会清楚无效Entry的操作。

比如说,在上述的 get() 方法中,我们在获取Entry时,如果获取到null,说明可能它被垃圾回收了,但是value还存在;或者key不相等,存在哈希冲突,我们调用 getEntryAfterMiss 来处理。

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;
        }
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getEntryAfterMiss 方法中,会利用 nextIndex 方法基于开放定址法的思想获取Entry,如果key相等,就返回该值,如果为null,

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;
        }
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set()方法

public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }
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获取当前线程的map,然后以当前ThreadLocal为key,放入到map中。具体的添加操作在 set() 方法中。

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;
                }
                if (k == null) {
                    replaceStaleEntry(key, value, i);
                    return;
                }
            }
            tab[i] = new Entry(key, value);
            int sz = ++size;
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
                rehash();
        }
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首先根据hash计算到在数组中的位置下标,如果当前位置存在节点并key相等,则进行值覆盖,并返回;如果为null,则调用 replaceStaleEntry ;如果当前位置没有存放节点,则新建一个Entry实例,并执行 cleanSomeSlots(i, sz) 方法,并判断是否扩容。

remove

从中可以看出,在删除该节点后,也会执行 expungeStaleEntry 来删除key为null的值。

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;
                }
            }
        }
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如何扩容

哈希表一般都有扩容操作,那么它是如何触发扩容和如何扩容的呢?

在ThreadLocalMap中有一个阈值threshold=table长度*2/3。当 size>=threshold 时,遍历table并删除key为null的元素,如果删除后size>=threshold*3/4时,需要进行扩容操作。

private void rehash() {
            expungeStaleEntries();
            if (size >= threshold - threshold / 4)
                resize();
        }
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扩容操作比较简单,但是会先判断key是否为null,如果为null,将对应的value也设置为null,帮助gc。

private void resize() {
            Entry[] oldTab = table;
            int oldLen = oldTab.length;
            int newLen = oldLen * 2;
            Entry[] newTab = new Entry[newLen];
            int count = 0;

            for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
                Entry e = oldTab[j];
                if (e != null) {
                    ThreadLocal<?> k = e.get();
                    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++;
                    }
                }
            }

            setThreshold(newLen);
            size = count;
            table = newTab;
        }
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Note:

如果想详细了解去除空key的步骤,可以阅读这篇。

被大厂面试官连环炮轰炸的ThreadLocal (吃透源码的每一个细节和设计原理)

原文 

https://juejin.im/post/5e6db35bf265da573d61bea2

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