抛出这8个问题，检验你是否真的会ThreadLocal

灰太狼 2022-11-29 11:17 126阅读 0赞

# 一、概述 #

## 1、官方术语 ##

ThreadLocal类是用来提供线程内部的局部变量。让这些变量在多线程环境下访问（get/set）时能保证各个线程里的变量相对独立于其他线程内的变量。

## 2、大白话 ##

ThreadLocal是一个关于创建线程局部变量的类。

通常情况下，我们创建的成员变量都是线程不安全的。因为他可能被多个线程同时修改，此变量对于多个线程之间彼此并不独立，是共享变量。而使用ThreadLocal创建的变量只能被当前线程访问，其他线程无法访问和修改。也就是说：将线程公有化变成线程私有化。

# 二、应用场景 #

*  每个线程都需要一个独享的对象（比如工具类，典型的就是`SimpleDateFormat`，每次使用都new一个多浪费性能呀，直接放到成员变量里又是线程不安全，所以把他用`ThreadLocal`管理起来就完美了。）

> 比如：

/**
     * Description: SimpleDateFormat就一份，不浪费资源。
     *
     * @author TongWei.Chen 2020-07-10 14:00:29
     */
    public class ThreadLocalTest05 {
    
        public static String dateToStr(int millisSeconds) {
            Date date = new Date(millisSeconds);
            SimpleDateFormat simpleDateFormat = ThreadSafeFormatter.dateFormatThreadLocal.get();
            return simpleDateFormat.format(date);
        }
    
        private static final ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
    
        public static void main(String[] args) {
            for (int i = 0; i < 3000; i++) {
                int j = i;
                executorService.execute(() -> {
                    String date = dateToStr(j * 1000);
                    // 从结果中可以看出是线程安全的，时间没有重复的。
                    System.out.println(date);
                });
            }
            executorService.shutdown();
        }
    }
    
    class ThreadSafeFormatter {
        public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal() {
            @Override
            protected SimpleDateFormat initialValue() {
                return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
            }
        };
    
        // java8的写法，装逼神器
    //    public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal =
    //            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss"));
    }

> 细心的朋友已经发现了，这TM也是每个线程都创建一个`SimpleDateFormat`啊，跟直接在方法内部new没区别，错了，大错特错！1个请求进来是一个线程，他可能贯穿了N个方法，你这N个方法假设有3个都在使用`dateToStr()`，你直接new的话会产生三个`SimpleDateFormat`对象，而用`ThreadLocal`的话只会产生一个对象，一个线程一个。

*  每个线程内需要保存全局变量（比如在登录成功后将用户信息存到`ThreadLocal`里，然后当前线程操作的业务逻辑直接get取就完事了，有效的避免的参数来回传递的麻烦之处），一定层级上减少代码耦合度。

**再细化一点就是：**

*  比如存储 交易id等信息。每个线程私有。
 *  比如aop里记录日志需要before记录请求id，end拿出请求id，这也可以。
 *  比如jdbc连接池（很典型的一个`ThreadLocal`用法）
 *  ....等等....

# 三、核心知识 #

## 1、类关系 ##

每个`Thread`对象中都持有一个`ThreadLocalMap`的成员变量。每个`ThreadLocalMap`内部又维护了N个`Entry`节点，也就是`Entry`数组，每个`Entry`代表一个完整的对象，key是`ThreadLocal`本身，value是`ThreadLocal`的泛型值。

核心源码如下

// java.lang.Thread类里持有ThreadLocalMap的引用
    public class Thread implements Runnable {
        ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    }
    
    // java.lang.ThreadLocal有内部静态类ThreadLocalMap
    public class ThreadLocal<T> {
        static class ThreadLocalMap {
            private Entry[] table;
            
            // ThreadLocalMap内部有Entry类，Entry的key是ThreadLocal本身，value是泛型值
            static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
                Object value;
                Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                    super(k);
                    value = v;
                }
            }
        }
    }

## 2、类关系图 ##

> `ThreadLocal`内存结构图。

![format_png][]

### 3、主要方法 ###

*  `initialValue`：初始化。在`get`方法里懒加载的。
 *  `get`：得到这个线程对应的value。*如果调用get之前没set过，则get内部会执行`initialValue`方法进行初始化。*
 *  `set`：为这个线程设置一个新值。
 *  `remove`：删除这个线程对应的值，防止内存泄露的最佳手段。

### 3.1、`initialValue` ###

3.1.1、什么意思

见名知意，初始化一些value（泛型值）。懒加载的。

3.1.2、触发时机

调用`get`方法之前没有调用`set`方法，则`get`方法内部会触发`initialValue`，也就是说`get`的时候如果没拿到东西，则会触发`initialValue`。

3.1.3、补充说明

*  通常，每个线程最多调用一次此方法。但是如果已经调用了`remove()`，然后再次调用`get()`的话，则可以再次触发`initialValue`。
 *  如果要重写的话一般建议采取匿名内部类的方式重写此方法，否则默认返回的是null。

> 比如：

public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal() {
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
        }
    };
    // Java8的高逼格写法
    public static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal =
                ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss"));

3.1.4、源码

// 由子类提供实现。
    // protected的含义就是交给子类干的。
    protected T initialValue() {
        return null;
    }

### 3.2、`get` ###

3.2.1、什么意思

获取当前线程下的ThreadLocal中的值。

3.2.2、源码

/**
     * 获取当前线程下的entry里的value值。
     * 先获取当前线程下的ThreadLocalMap，
     * 然后以当前ThreadLocal为key取出map中的value
     */
    public T get() {
        // 获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap对象。
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 若获取到了。则获取此ThreadLocalMap下的entry对象，若entry也获取到了，那么直接获取entry对应的value返回即可。
        if (map != null) {
            // 获取此ThreadLocalMap下的entry对象
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            // 若entry也获取到了
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                // 直接获取entry对应的value返回。
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        // 若没获取到ThreadLocalMap或没获取到Entry，则设置初始值。
        // 知识点：我早就说了，初始值方法是延迟加载，只有在get才会用到，这下看到了吧，只有在这获取没获取到才会初始化，下次就肯定有值了，所以只会执行一次！！！
        return setInitialValue();
    }

### 3.3、`set` ###

3.3.1、什么意思

其实干的事和`initialValue`是一样的，都是set值，只是调用时机不同。set是想用就用，api摆在这里，你想用就调一下set方法。很自由。

3.3.2、源码

/**
     * 设置当前线程的线程局部变量的值
     * 实际上ThreadLocal的值是放入了当前线程的一个ThreadLocalMap实例中，所以只能在本线程中访问。
     */
    public void set(T value) {
        // 获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap实例，注意这里是将t传进去了，t是当前线程，就是说ThreadLocalMap是在线程里持有的引用。
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 若当前线程有对应的ThreadLocalMap实例，则将当前ThreadLocal对象作为key，value做为值存到ThreadLocalMap的entry里。
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            // 若当前线程没有对应的ThreadLocalMap实例，则创建ThreadLocalMap，并将此线程与之绑定
            createMap(t, value);
    }

### 3.4、`remove` ###

3.4.1、什么意思

将当前线程下的ThreadLocal的值删除，目的是为了减少内存占用。主要目的是防止内存泄漏。内存泄漏问题下面会说。

3.4.2、源码

/**
     * 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存占用。主要目的是防止内存泄漏。内存泄漏问题下面会说。
     */
    public void remove() {
        // 获取当前线程的ThreadLocalMap对象，并将其移除。
        ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
        if (m != null)
            // 直接移除以当前ThreadLocal为key的value
            m.remove(this);
    }

## 4、ThreadLocalMap ##

为啥单独拿出来说下，我就是想强调一点：这个东西是归`Thread`类所有的。它的引用在`Thread`类里，这也证实了一个问题：`ThreadLocalMap`类内部为什么有`Entry`数组，而不是`Entry`对象？

因为你业务代码能new好多个`ThreadLocal`对象，各司其职。但是在一次请求里，也就是一个线程里，`ThreadLocalMap`是同一个，而不是多个，不管你new几次`ThreadLocal`，`ThreadLocalMap`在一个线程里就一个，因为再说一次，`ThreadLocalMap`的引用是在`Thread`里的，所以它里面的`Entry`数组存放的是一个线程里你new出来的多个`ThreadLocal`对象。

核心源码如下：

// 在你调用ThreadLocal.get()方法的时候就会调用这个方法，它的返回是当前线程里的threadLocals的引用。
    // 这个引用指向的是ThreadLocal里的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }
    
    public class Thread implements Runnable {
        // ThreadLocal.ThreadLocalMap
        ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    }

# 四、完整源码 #

## 1、核心源码 ##

// 本地线程。Thread：线程。Local：本地
    public class ThreadLocal<T> {
    
        // 构造器
     public ThreadLocal() {}
    
        // 初始值，用来初始化值用的，比如：ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<>();
        // 你想Integer value = count.get(); value++;这样是报错的，因为count现在还没值，取出来的是个null,所以你需要先重写此方法为value赋上初始值，本身方法是protected也代表就是为了子类重写的。
        // 此方法是一个延迟调用方法，在线程第一次调用get的时候才执行，下面具体分析源码就知道了。
     protected T initialValue() {}
    
        // 创建ThreadLocalMap，ThreadLocal底层其实就是一个map来维护的。
     void createMap(Thread t, T firstValue) {}
    
        // 返回该当前线程对应的线程局部变量值。
     public T get() {}
    
        // 获取ThreadLocalMap
     ThreadLocalMap getMap(Thread t) {}
    
        // 设置当前线程的线程局部变量的值
     public void set(T value) {}
    
        // 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存占用。其实当线程结束后对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以无需我们调用remove，我们调用remove无非也就是加快内存回收速度。
     public void remove() {}
    
        // 设置初始值，调用initialValue
     private T setInitialValue() {}
    
        // 静态内部类，一个map来维护的！！！
     static class ThreadLocalMap {
      
            // ThreadLocalMap的静态内部类，继承了弱引用，这正是不会造成内存泄漏根本原因
            // Entry的key为ThreadLocal并且是弱引用。value是值
      static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {}
     }
    
    }

## 2、set() ##

/**
     * 设置当前线程的线程局部变量的值
     * 实际上ThreadLocal的值是放入了当前线程的一个ThreadLocalMap实例中，所以只能在本线程中访问。
     */
    public void set(T value) {
        // 获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap实例
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 若当前线程有对应的ThreadLocalMap实例，则将当前ThreadLocal对象作为key，value做为值存到ThreadLocalMap的entry里。
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            // 若当前线程没有对应的ThreadLocalMap实例，则创建ThreadLocalMap，并将此线程与之绑定
            createMap(t, value);
    }

## 3、getMap() ##

## 4、map.set() ##

// 不多BB，就和HashMap的set一个道理，只是赋值key,value。
    // 需要注意的是这里key是ThreadLocal对象，value是值
    private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {}

## 5、createMap() ##

/**
     * 创建ThreadLocalMap对象。
     * t.threadLocals在上面的getMap中详细介绍了。此处不BB。
     * 实例化ThreadLocalMap并且传入两个值，一个是当前ThreadLocal对象一个是value。
     */
    void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
    }
    
    // ThreadLocalMap构造器。
    ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
        int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
        // 重点看这里！！！！！！
        // new了一个ThreadLocalMap的内部类Entry，且将key和value传入。
        // key是ThreadLocal对象。
        table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
        size = 1;
        setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
    }
    
    /**
     * 到这里朋友们应该真相大白了，其实ThreadLocal就是内部维护一个ThreadLocalMap，
     * 而ThreadLocalMap内部又维护了一个Entry对象。Entry对象是key-value形式，
     * key是ThreadLocal对象，value是传入的value
     * 所以我们对ThreadLocal的操作其实都是对内部的ThreadLocalMap.Entry的操作
     * 所以保证了线程之前互不干扰。
     */

## 6、get() ##

## 7、setInitialValue() ##

// 设置初始值
    private T setInitialValue() {
        // 调用初始值方法，由子类提供。
        T value = initialValue();
        // 获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 获取map
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        // 获取到了
        if (map != null)
            // set
            map.set(this, value);
        else
            // 没获取到。创建map并赋值
            createMap(t, value);
        // 返回初始值。
        return value;
    }

## 8、initialValue() ##

// 由子类提供实现。
    // protected
    protected T initialValue() {
        return null;
    }

## 9、remove() ##

/**
     * 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存占用。
     * 其实当线程结束后对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以无需我们调用remove，我们调用remove无非也就是加快内存回收速度。
     */
    public void remove() {
        // 获取当前线程的ThreadLocalMap对象，并将其移除。
        ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
        if (m != null)
            m.remove(this);
    }

## 10、小结 ##

只要捋清楚如下几个类的关系，`ThreadLocal`将变得so easy！

`Thread`、`ThreadLocal`、`ThreadLocalMap`、`Entry`

一句话总结就是：`Thread`维护了`ThreadLocalMap`，而`ThreadLocalMap`里维护了`Entry`，而`Entry`里存的是以`ThreadLocal`为key，传入的值为value的键值对。

# 五、答疑（面试题） #

## 1、和Synchronized的区别 ##

问：他和线程同步机制（如：Synchronized）提供一样的功能，这个很吊啊。

答：否！同步机制保证的是多线程同时操作共享变量并且能正确的输出结果。ThreadLocal不行啊，他把共享变量变成线程私有了，每个线程都有独立的一个变量。举个通俗易懂的案例：网站计数器，你给变量count++的时候带上synchronized即可解决。ThreadLocal的话做不到啊，他没发统计，他只能说能统计每个线程登录了多少次。

## 2、存储在jvm的哪个区域 ##

问：线程私有，那么就是说ThreadLocal的实例和他的值是放到栈上咯？

答：不是。还是在堆的。ThreadLocal对象也是对象，对象就在堆。只是JVM通过一些技巧将其可见性变成了线程可见。

## 3、真的只是当前线程可见吗 ##

问：真的只是当前线程可见吗？

答：貌似不是，貌似通过`InheritableThreadLocal`类可以实现多个线程访问`ThreadLocal`的值，但是我没研究过，知道这码事就行了。

## 4、会导致内存泄漏么 ##

问：会导致内存泄漏么？

答：分析一下：

*  1、`ThreadLocalMap.Entry`的key会内存泄漏吗？
 *  2、`ThreadLocalMap.Entry`的value会内存泄漏吗？

先看下key-value的核心源码

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

先看继承关系，发现是继承了弱引用，而且key直接是交给了父类处理`super(key)`，父类是个弱引用，所以key完全不存在内存泄漏问题，因为他不是强引用，它可以被GC回收的。

> 弱引用的特点：如果这个对象只被弱引用关联，没有任何强引用关联，那么这个对象就可以被GC回收掉。弱引用不会阻止GC回收。这是jvm知识。

再看value，发现value是个强引用，但是想了下也没问题的呀，因为线程终止了，我管你强引用还是弱引用，都会被GC掉的，因为引用链断了（jvm用的可达性分析法，线程终止了，根节点就断了，下面的都会被回收）。

这么分析一点毛病都没有，但是忘了一个主要的角色，那就是**线程池**，线程池的存在核心线程是不会销毁的，只要创建出来他会反复利用，生命周期不会结束掉，但是key是弱引用会被GC回收掉，value强引用不会回收，所以形成了如下场面：

`Thread->ThreadLocalMap->Entry(key为null)->value`

由于value和Thread还存在链路关系，还是可达的，所以不会被回收，这样越来越多的垃圾对象产生却无法回收，早晨内存泄漏，时间久了必定OOM。

解决方案`ThreadLocal`已经为我们想好了，提供了`remove()`方法，这个方法是将value移出去的。所以用完后记得`remove()`。

## 5、为什么用Entry数组而不是Entry对象 ##

> 这个其实主要想考`ThreadLocalMap`是在`Thread`里持有的引用。

问：`ThreadLocalMap`内部的table为什么是数组而不是单个对象呢？

答：因为你业务代码能new好多个`ThreadLocal`对象，各司其职。但是在一次请求里，也就是一个线程里，`ThreadLocalMap`是同一个，而不是多个，不管你new几次`ThreadLocal`，`ThreadLocalMap`在一个线程里就一个，因为`ThreadLocalMap`的引用是在`Thread`里的，所以它里面的`Entry`数组存放的是一个线程里你new出来的多个`ThreadLocal`对象。

## 6、你学习的开源框架哪些用到了ThreadLocal ##

Spring框架。

`DateTimeContextHolder`

`RequestContextHolder`

## 7、ThreadLocal里的对象一定是线程安全的吗 ##

未必，如果在每个线程中`ThreadLocal.set()`进去的东西本来就是多线程共享的同一个对象，比如static对象，那么多个线程的`ThreadLocal.get()`获取的还是这个共享对象本身，还是有并发访问线程不安全问题。

## 8、笔试题 ##

问：下面这段程序会输出什么？为什么？

public class TestThreadLocalNpe {
        private static ThreadLocal<Long> threadLocal = new ThreadLocal();
    
        public static void set() {
            threadLocal.set(1L);
        }
    
        public static long get() {
            return threadLocal.get();
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(() -> {
                set();
                System.out.println(get());
            }).start();
            // 目的就是为了让子线程先运行完
            Thread.sleep(100);
            System.out.println(get());
        }
    }

答：

1
    Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
     at com.chentongwei.study.thread.TestThreadLocalNpe.get(TestThreadLocalNpe.java:16)
     at com.chentongwei.study.thread.TestThreadLocalNpe.main(TestThreadLocalNpe.java:26)

为什么？

为什么输出个1，然后空指针了？

首先输出1是没任何问题的，其次主线程空指针是为什么？

如果你这里回答

1
    1

那我恭喜你，你连`ThreadLocal`都不知道是啥，这明显两个线程，子线程和主线程。子线程设置1，主线程肯定拿不到啊，`ThreadLocal`和线程是嘻嘻相关的。这个不多费口舌。

说说为什么是空指针？

因为你get方法用的long而不是Long，那也应该返回null啊，大哥，long是基本类型，默认值是0，没有null这一说法。`ThreadLocal`里的泛型是Long，get却是基本类型，这需要拆箱操作的，也就是会执行`null.longValue()`的操作，这绝逼空指针了。

> 看似一道Javase的基础题目，实则隐藏了很多知识。

# 六、ThreadLocal工具类 #

package com.duoku.base.util;
    
    import com.google.common.collect.Maps;
    import org.springframework.core.NamedThreadLocal;
    
    import java.util.Map;
    
    /**
     * Description:
     *
     * @author TongWei.Chen 2019-09-09 18:35:30
     */
    public class ThreadLocalUtil {
    
        private static final ThreadLocal<Map<String, Object>> threadLocal = new NamedThreadLocal("xxx-threadlocal") {
            @Override
            protected Map<String, Object> initialValue() {
                return Maps.newHashMap();
            }
        };
    
        public static Map<String, Object> getThreadLocal(){
            return threadLocal.get();
        }
        
        public static <T> T get(String key) {
            Map map = threadLocal.get();
            // todo:copy a new one
            return (T)map.get(key);
        }
    
        public static <T> T get(String key,T defaultValue) {
            Map map = threadLocal.get();
            return (T)map.get(key) == null ? defaultValue : (T)map.get(key);
        }
    
        public static void set(String key, Object value) {
            Map map = threadLocal.get();
            map.put(key, value);
        }
    
        public static void set(Map<String, Object> keyValueMap) {
            Map map = threadLocal.get();
            map.putAll(keyValueMap);
        }
    
        public static void remove() {
            threadLocal.remove();
        }
    
    }

[format_png]: /images/20221124/c32823db89c54d15862c6df8b4ed32df.png