详解ThreadLocal的设计思想和扩容机制

柔光的暖阳◎ 2022-09-07 03:47 290阅读 0赞

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hzZjE1NzY4NjE1Mjg0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

### 一、什么是ThreadLocal ###

对于共享资源，在多线程环境下势必会存在线程安全的问题。主要有两种方式可以处理这个问题，一种，就是将资源处理变成单线程，同一时刻只能有一个线程持有，比如加锁。另一种，用空间换时间的思想，将共享资源变成非共享，比如每个线程都各自持有一份，线程只操作自己持有的资源，那样就不存在线程安全的问题。ThreadLocal就是采用了第二种思想实现。

将一个共享资源定义成ThreadLocal，JDK1.8 ThreadLocal提供了withInitial很方便的去声明一个线程的局部变量，以SimpleDateFormat为例，具体用法：

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

### 二、源码解读 ###

先看一下Thread类，内部定义了一个ThreadLocal.ThreadLocalMap，用来存放线程自身持有的变量。查看源码，可以看到对于ThreadLocalMap的定义：存放与该线程有关的ThreadLocal值，这个Map是由ThreadLocal去维护。可见Thread类只是定义了这么一个东西，但是却不去维护里面的值，有点不负责任的样子。  
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回到ThreadLocal这个类，对于Map的维护无非就是数据的写入和读取。从get()可以看到，会先获取当前的线程，从当前线程拿到ThreadLocalMap，从Map中获取当前的ThreadLocal对象（以上面为例，就是获取LOCAL\_FORMAT），如果不为空就返回对应的值，如果Map是空或者获取不到当前ThreadLocal对象，那么就会进行初始化。  
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setInitialValue()里同样去获取当前线程里面的Map，如果没有，调用createMap去初始化Map。  
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继续跟踪源码，可以看到最后调用的是ThreadLocalMap的构造函数，创建了一个Entry数组，初始值是16，初始大小是1，设置阈值是当前大小的2/3，同时计算了第一个元素的位置。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hzZjE1NzY4NjE1Mjg0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
再看一下set()方法，也是获取当前线程的ThreadLocalMap，如果不为空，就调用ThreadLocalMap.set()添加当前的值，如果为空，则去创建Map。  
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对于ThreadLocalMap.set()方法，通过key和hashCode去计算当前存放的位置，如果当前位置位置已存在元素，则判断key是否相同，相同则覆盖，不相同判断是否为null，如果为null，则说明原先所在的key被回收了，此时会替换旧值。如果找不到，则说明当前位置已经被其他人占用了，则会往后继续找合适的位置存放。其实就是开放寻址的思想。  
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### 三、ThreadLocalMap扩容机制 ###

根据上图可以看到，添加了元素后，会判断当前下标往后的元素是否存在需要value回收的，如果不存在需要回收并且当前总元素大于等于阈值，那么就会调用rehash()扩容。扩容之前还会再重新对key已经被GC了的元素进行回收，回收后如果总数还是大于等于阈值的3/4，那么就会调用resize()进行真正的扩容。  
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查看扩容源码，可以看到扩容后的数组是原来数组的2倍，原有的元素会重新进行hash计算放到新的数组里面，处理完后还会重置阈值。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hzZjE1NzY4NjE1Mjg0_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

### 四、存在的问题 ###

ThreadLocal解决了多线程下共享资源并发的问题，但也存在其他问题。

看一下Entry的结构，继承了WeakReference，可见ThreadLocalMap的key是弱引用。在JVM里弱引用生命周期是比较短的，JVM扫描一旦发现有弱引用，无论当前内存空间是否足够，都会进行回收。而ThreadLocal的value是强引用，这样一来key会被清除掉，而value不会被清除掉，如果不做任何处理，value永远无法被回收，这个时候就可能会产生内存泄露。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hzZjE1NzY4NjE1Mjg0_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
而ThreadLocal也考虑到了这个问题，因此在get()、set()、remove()方法里都提供对key为null数据的处理，最终都是调用expungeStaleEntry进行重新散列来清除key为空的数据。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hzZjE1NzY4NjE1Mjg0_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
所以最好每次使用后都调用remove()方法。其实也在想，为什么ThreadLocalMap的key不定义成强引用，那样就可以减少维护Map的代码。后来想了下，这里可能也是为了实现即使没有显示调用remove()也可以回收不怎么经常被用到对象，毕竟如果线程比较多的话，相当于会有多个相同的对象存在内存里，如果忘记显示调用remove()，对象常驻内存也是种压力，更多算是一种兜底的考虑吧。

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