Java中ThreadLocal線程變量的實現原理是什么

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ThreadLocal是什么?

ThreadLocal 使得我們可以創建線程私有的變量, 這個變量相對于其他線程來說是不可見的,ThreadLocal為變量在每個線程中都創建了一個副本 , 每個線程可以訪問自己私有的線程變量,代碼示例如下 : 

public class ThreadLocalDemo {
 
    //創建一個ThreadLocal對象,用來為每個線程會復制保存一份變量,實現線程封閉
    private  static ThreadLocal<Integer> localNum = new ThreadLocal<Integer>(){
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 1;
        }
    };
 
    public static void main(String[] args) {
          //線程0
          new Thread(){
              @Override
              public void run() {
                   localNum.set(1);
                  try {
                      Thread.sleep(2000);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  localNum.set(localNum.get()+10);
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//11
              }
          }.start();
        //線程1
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                localNum.set(3);
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                localNum.set(localNum.get()+20);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//23
            }
        }.start();
        
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//0
    }
}

如上所述, 算上main線程與新建的兩個線程 ,總共三個線程 , 每個線程都包含自己的私有變量,此處我們設置值1 , set() 和 get() 方法用來設置值和獲得值, 執行結果如下 : 

ThreadLocal實現原理分析

ThreadLocal是一個泛型類 , 可以接受任何類型的對象 , 其內部維護了一個ThreadLocalMap 的靜態內部類,  我們使用的 get(), set()等其實都來自這個類, 每次都會為當前線程創建一個ThreadLocalMap對象, 用來記錄私有的值

先看 set() 方法

public void set(T value) {
    //拿到當前線程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //拿到當前線程map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        //存在設置值
        map.set(this, value);
    else
        //不存在則創建
        createMap(t, value); 
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    //threadLocals屬性即為此map
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

接著是get() 方法

public T get() {
    //拿到當前線程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //拿到當前線程對應的map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //如果已有map
    if (map != null) {
        //取值操作, 拿到對應的Entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
           @SuppressWarnings("unchecked")
           T result = (T)e.value;
           return result;
        }
    }
    //沒有map, 則去創建初始化一個map
    return setInitialValue();
}

private T setInitialValue() {
    //initialValue()方法返回的value為null
    T value = initialValue();
    //拿到當前線程去創建對應的map
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

ThreadLocal可以理解為對ThreadLocalMap的封裝

ThreadLocal內存泄漏問題

在ThreadLocalMap中 , 使用 ThreadLocal 的弱引用作為 key 

這樣的話, 如果一個ThreadLocal不存在外部強引用時, 那么key注定要被GC回收 , 這樣導致ThreadLocalMap 中key為null , 而value還存在著強引用鏈

一個線程可以同時擁有多個ThreadLocal, 如果作為弱引用的key被回收后, value還不能被回收,那么這就導致此ThreadLocal的生命周期和此線程是一樣長的(因為線程執行完畢后此value的強引用鏈才會斷), 如果線程一直不結束, 堆積的value也一直無法被回收, 那么就會產生內存泄漏問題

這里解決問題的方式是 : 每次使用完ThreadLocal后都調用它的remove()方法清除數據

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

這里我們再來看一下key作為強弱引用的區別

如果key作為強引用, 那么它的生命周期和線程一樣長,存在穩定的強引用鏈,無法被回收,產生內存泄漏問題, 而如果作為弱引用, GC則會自動的去回收它們, 在后續的remove()方法中也可以更好的去回收value , 所以我們一般將ThreadLocal設計成 private static 的, 在使用完后用remove()方法去手動刪除它們

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