https://blog.csdn.net/weixin_50280576/article/details/113849450
ThreadLocal介绍
ThreadLocal 是什么
从Java官方文档中的描述:ThreadLocal类用来提供线程内部的局部变量。这种变量在多线程环境下访问(通过get和set方法访问)时能保证各个线程的变量相对独立于其他线程内的变量。ThreadLocal实例通常来说都是private static类型的,用于关联线程和线程上下文。
ThreadLocal 有两大作用:
- 线程间:线程隔离,避免争用引发线程安全问题
- 线程内:实现了线程内资源共享
总结:
- 线程并发:在多线程并发的场景下,即单线程是用不到的
- 传递数据:我们可以通过ThreadLocal在同一线程,不同组件中传递公共变量
- 线程隔离:每个线程的变量都是独立的,不会互相影响
ThreadLocal原理
每个线程内有一个 ThreadLocalMap类型的成员变量,用来存储资源对象
- 调用set方法,就是以 Threadlocal自己作为key,资源对象作为vaue,放入当前线程的 ThreadLocalMap集合中
- 调用get方法,就是以 Threadlocal自己作为key,到当前线程中查找关联的资源值
- 调用 remove方法,就是以 Threadloca自己作为key,移除当前线程关联的资源值
常用方法介绍
方法声明 | 描述 |
---|---|
ThreadLocal() | 创建ThreadLocal对象 |
public void set( T value) | 设置当前线程绑定的局部变量 |
public T get() | 获取当前线程绑定的局部变量 |
public void remove() | 移除当前线程绑定的局部变量 |
protected T initialValue() | 返回当前线程的这个线程局部变量的初始值 |
public static ThreadLocal withInitial(xxx) | 创建线程局部变量,通过get方法,jdk1.8 才支持 |
ThreadLocal简单使用
问题引出
首先,看一个卖票的场景,使用 3 个线程进行卖票,由于 ticketNumber 是每个线程共享的资源,存在线程安全问题,所以使用 synchronized 加锁,上面的代码存在的问题是,多个线程只有一把锁,只有当上一个线程释放锁,才有机会拿到锁,这是因为多个线程使用的是一个共享的变量,如果说每个线程都有自己的本地副本变量,那么也就不会存在线程安全问题,是一种不加锁的方式解决线程安全问题。
使用ThreadLocal解决
多个线程在访问同一个变量的时候出现的异常,线程间的数据没有隔离,如果不用ThreadLocal的话线程之间的数据隔离没有实现,采用 ThreadLocal 可以解决这个问题
public class MyDemo1 {
private static ThreadLocal<String> tl = new ThreadLocal<>();
private String content;
private String getContent() {
//return content;//不使用ThreadLocal
return tl.get();
}
private void setContent(String content) {
//this.content = content;//不使用ThreadLocal
tl.set(content);
}
public static void main(String[] args) {
MyDemo demo = new MyDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
demo.setContent(Thread.currentThread().getName() + "的数据");
System.out.println("-----------------------");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->" + demo.getContent());
}
});
thread.setName("线程" + i);
thread.start();
}
}
}
ThreadLocal类与synchronized关键字的区别
synchronized | ThreadLocal | |
---|---|---|
原理 | 同步机制采用以时间换空间 的方式,只提供了一份变量,让不同的线程排队访问 |
ThreadLocal采用以空间换时间 的方式, 为每一个线程都提供了一份变量的副本,从而实现同时访问而相不干扰 |
侧重点 | 多个线程之间访问资源的同步 | 多线程中让每个线程之间的数据相互隔离 |
并发性 | 线程隔离 : 各线程之间的数据相互隔离却又具备并发性,避免同步方式带来的性能损失 | 不具有并发性 |
ThreadLocal的内部结构
早期的设计
如果我们不去看源代码的话,可能会猜测ThreadLocal
是这样子设计的:每个ThreadLocal
都创建一个Map
,然后用线程作为Map
的key
,要存储的局部变量作为Map
的value
,这样就能达到各个线程的局部变量隔离的效果。这是最简单的设计方法,JDK最早期的ThreadLocal
确实是这样设计的,但现在早已不是了。
现在的设计
但是,JDK后面优化了设计方案,在JDK8中 ThreadLocal
的设计是:每个Thread
维护一个ThreadLocalMap
,这个Map的key
是ThreadLocal
实例本身,value
才是真正要存储的值Object
。
具体的过程是这样的:
-
每个Thread线程内部都有一个Map (ThreadLocalMap)
-
Map里面存储ThreadLocal对象(key)和线程的变量副本(value)
-
Thread内部的Map是由ThreadLocal维护的,由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。
-
对于不同的线程,每次获取副本值时,别的线程并不能获取到当前线程的副本值,形成了副本的隔离,互不干扰。
这样设计的好处
这个设计与我们一开始说的设计刚好相反,这样设计有如下两个优势:
- 这样设计之后每个
Map
存储的Entry
数量就会变少。因为之前的存储数量由Thread
的数量决定,现在是由ThreadLocal
的数量决定。在实际运用当中,往往ThreadLocal的数量要少于Thread的数量。 - 当
Thread
销毁之后,对应的ThreadLocalMap
也会随之销毁,能减少内存的使用。
ThreadLocal的核心方法源码
基于ThreadLocal的内部结构,我们继续分析它的核心方法源码,更深入的了解其操作原理。
除了构造方法之外, ThreadLocal对外暴露的方法有以下4个:
方法声明 | 描述 |
---|---|
protected T initialValue() | 返回当前线程局部变量的初始值 |
public void set( T value) | 设置当前线程绑定的局部变量 |
public T get() | 获取当前线程绑定的局部变量 |
public void remove() | 移除当前线程绑定的局部变量 |
以下是这4个方法的详细源码分析(为了保证思路清晰, ThreadLocalMap部分暂时不展开,下一个知识点详解)
set方法执行流程
- 首先获取当前线程,并根据当前线程获取一个Map
- 如果获取的Map不为空,则将参数设置到Map中(当前ThreadLocal的引用作为key)
- 如果Map为空,则给该线程创建 Map,并设置初始值
get方法执行流程
- 首先获取当前线程, 根据当前线程获取一个Map
- 如果获取的Map不为空,则在Map中以ThreadLocal的引用作为key来在Map中获取对应的Entry e,否则转到D
- 如果e不为null,则返回e.value,否则转到D
- Map为空或者e为空,则通过initialValue函数获取初始值value,然后用ThreadLocal的引用和value作为firstKey和firstValue创建一个新的Map
总结:先获取当前线程的 ThreadLocalMap 变量,如果存在则返回值,不存在则创建并返回初始值
remove方法执行流程
- 首先获取当前线程,并根据当前线程获取一个Map
- 如果获取的Map不为空,则移除当前ThreadLocal对象对应的entry
initialValue方法执行流程
此方法被protected修饰,作用是返回该线程局部变量的初始值。此方法的第一次调用发生在,当线程通过get方法访问此线程的ThreadLocal值时,除非线程先调用了set方法,在这种情况下,initialValue 才不会被这个线程调用。通常情况下,每个线程最多调用一次这个方法。
- 这个方法是一个延迟调用方法,从上面的代码我们得知,在set方法还未调用而先调用了get方法时才执行,并且仅执行1次。
- 这个方法缺省实现直接返回一个
null
。 - 如果想要一个除null之外的初始值,可以重写此方法。(备注: 该方法是一个
protected
的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的)
ThreadLocalMap基本结构
ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类,没有实现Map接口,用独立的方式实现了Map的功能,其内部的Entry也是独立实现。
成员变量
//初始容量 —— 必须是2的整次幂
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
//存放数据(键值对)的table,Entry类的定义在下面分析,同样,数组长度必须是2的整次幂。
private Entry[] table;
//数组里面entrys的个数,可以用于判断table当前使用量是否超过阈值。
private int size = 0;
//进行扩容的阈值,表使用量大于它的时候进行扩容。
private int threshold; // Default to 0
存储结构 - Entry
/*
* Entry继承WeakReference,并且用ThreadLocal作为key.
* 如果key为null(entry.get() == null),意味着key不再被引用,
* 因此这时候entry也可以从table中清除。
*/
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
在ThreadLocalMap中,也是用Entry来保存K-V结构数据的。不过Entry中的key只能是ThreadLocal对象,这点在构造方法中已经限定死了。
另外,Entry继承WeakReference,也就是key(ThreadLocal)是弱引用,其目的是将ThreadLocal对象的生命周期和线程生命周期解绑。
弱引用和内存泄漏
有些程序员在使用ThreadLocal的过程中会发现有内存泄漏的情况发生,就猜测这个内存泄漏跟Entry中使用了弱引用的key有关系。这个理解其实是不对的。
我们先来回顾这个问题中涉及的几个名词概念,再来分析问题。
内存泄漏相关概念
- 内存溢出:没有足够的内存提供申请者使用。
- 内存泄漏:指程序中已动态分配的堆内存由于某种原因程序
未释放
或无法释放
,造成系统内存的浪费,导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等严重后果。内存泄漏的堆积终将导致内存溢出。
Java中引用类型及特点
Java中的引用有4种类型: 强、软、弱、虚,当前这个问题主要涉及到强引用和弱引用
- 强引用:我们平时一般都是这种引用,当一个对象被一个或一个以上的引用变量所引用时,它处于可达状态,不可能被系统垃圾回收机制回收。
- 软引用:软引用需要通过SoftReference类来实现,当一个对象只具有软引用时,它有可能被垃圾回收机制回收。对于只有软引用的对象而言,当系统内存空间足够时,它不会被系统回收,程序也可以使用该对象,当系统内存空间不够时,系统可能回收它。软引用通常用于对内存敏感的程序中。
- 弱引用:弱引用通过WeakReference类实现,弱引用和软引用很像,但弱引用的引用级别更低。对于只有弱引用的对象而言,当系统垃圾回收机制运行时,不管系统内存是否足够,总会回收该对象所占用的内存。当然,并不是说当一个对象只有弱引用时,它就会被立即回收,而是必须等到系统垃圾回收机制运行时才会被回收。
- 虚引用:虚引用通过PhantomReference类实现,虚应用完全类似于没有引用。虚引用对对象本身没有太大影响,对象甚至感觉不到虚引用的存在。
如果key使用强引用
假设ThreadLocalMap中的key使用了强引用,那么会出现内存泄漏吗? 此时ThreadLocal的内存图(实线表示强引用)如下:
- 假设在业务代码中使用完ThreadLocal ,threadLocal Ref被回收了。
- 但是因为threadLocalMap的Entry强引用了threadLocal,造成threadLocal无法被回收。
- 在没有手动删除这个Entry以及CurrentThread依然运行的前提下,始终有强引用链 threadRef->currentThread->threadLocalMap->entry,Entry就不会被回收(Entry中包括了ThreadLocal实例和value),导致Entry内存泄漏。
- 也就是说ThreadLocalMap中的key使用了强引用, 是无法完全避免内存泄漏的。
如果key使用弱引用
那么ThreadLocalMap中的key使用了弱引用,会出现内存泄漏吗?
此时ThreadLocal的内存图(实线表示强引用,虚线表示弱引用)如下:
- 同样假设在业务代码中使用完ThreadLocal ,threadLocal Ref被回收了。
- 由于ThreadLocalMap只持有ThreadLocal的弱引用,没有任何强引用指向threadlocal实例, 所以threadlocal就可以顺利被gc回收,此时Entry中的key=null。
- 但是在没有手动删除这个Entry以及CurrentThread依然运行的前提下,也存在有强引用链 threadRef->currentThread->threadLocalMap->entry -> value ,value不会被回收, 而这块value永远不会被访问到了,导致value内存泄漏。
- 也就是说,ThreadLocalMap中的key使用了弱引用, 也有可能内存泄漏。
出现内存泄漏的真实原因
比较以上两种情况,我们就会发现,内存泄漏的发生跟ThreadLocalMap中的key是否使用弱引用是没有关系的,在以上两种内存泄漏的情况中,都有两个前提:
- 没有手动删除这个Entry
- CurrentThread依然运行
第一点很好理解,只要在使用完ThreadLocal,调用其remove方法删除对应的Entry,就能避免内存泄漏。
第二点稍微复杂一点, 由于ThreadLocalMap是Thread的一个属性,被当前线程所引用,所以它的生命周期Thread一样长。那么在使用完ThreadLocal之后,如果当前Thread也随之执行结束,ThreadLocalMap自然也会被gc回收,从根源上避免了内存泄漏。
综上,ThreadLocal内存泄漏的根源是
:由于ThreadLocalMap的生命周期跟Thread一样长,如果没有手动删除对应key就会导致内存泄漏。
为什么使用弱引用
我们知道,无论ThreadLocalMap中的key使用哪种类型引用都无法完全避免内存泄漏,跟使用弱引用没有关系。
要避免内存泄漏有两种方式:
- 使用完ThreadLocal,调用其remove方法删除对应的Entry
- 使用完ThreadLocal,当前Thread也随之运行结束
相对第一种方式,第二种方式显然更不好控制,特别是使用线程池的时候,线程结束是不会销毁的。
也就是说,只要记得在使用完ThreadLocal及时的调用remove,无论key是强引用还是弱引用都不会有问题。那么为什么key要用弱引用呢?
- 事实上,在ThreadLocalMap中的set/getEntry方法中,会对key为null(也即是ThreadLocal为null)进行判断,如果为null的话,那么是会对value置为null的。
- 这就意味着使用完ThreadLocal,CurrentThread依然运行的前提下,就算忘记调用remove方法,
弱引用比强引用可以多一层保障
:弱引用的ThreadLocal会被回收,对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove中的任一方法的时候会被清除,从而避免内存泄漏。
ThreadLocalMap释放value的时机
- 获取key发现 null key,然后清除掉
- set key时,会使用启发式扫描,清除当前(如果key为null就清理当前值)和临近的 null key。启发次数与元素个数,元素多就扫描范围多一些,元素少就扫描范围少一些,是否发现null key有关,如果发现了null key就扫描的多,没发现就扫描的少
- remove时(推荐),因为一般使用 Threadloca时都把它作为静态变量,因此GC无法回收
ThreadLocalMap的hash冲突
冲突的产生
在构造方法中计算ThreadLocal的firstKey变量对应的索引时会产生冲突
冲突的解决
ThreadLocalMap使用线性探测法
来解决哈希冲突的。
该方法一次探测下一个地址,直到有空的地址后插入,若整个空间都找不到空余的地址,则产生溢出。
举个例子,假设当前table长度为16,也就是说如果计算出来key的hash值为14,如果table[14]上已经有值,并且其key与当前key不一致,那么就发生了hash冲突,这个时候将14加1得到15,取table[15]进行判断,这个时候如果还是冲突会回到0,取table[0],以此类推,直到可以插入。
按照上面的描述,可以把Entry[] table看成一个环形数组。
ThreadLocal的set() 方法
-
首先获取当前线程,并根据当前线程获取一个Map
-
如果获取的Map不为空,则将参数设置到Map中(当前ThreadLocal的引用作为key),这里调用了
ThreadLocalMap的set方法
-
如果Map为空,则给该线程创建 Map,并设置初始值,这里调用了
ThreadLocalMap的构造方法
ThreadLocalMap的构造方法
/*
* firstKey : 本ThreadLocal实例(this)
* firstValue : 要保存的线程本地变量
*/
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
//初始化table
table = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[INITIAL_CAPACITY];
//计算索引(重点代码)
int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
//设置值
table[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(firstKey, firstValue);
size = 1;
//设置阈值
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
构造函数首先创建一个长度为16的Entry数组,然后计算出firstKey对应的索引,然后存储到table中,并设置size和threshold。
重点分析: int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY \- 1)
。
-
关于firstKey.threadLocalHashCode:定义了一个AtomicInteger类型,每次获取当前值并加上HASH_INCREMENT,
HASH_INCREMENT = 0x61c88647
,这个值跟斐波那契数列(黄金分割数)有关,其主要目的就是为了让哈希码能均匀的分布在2的n次方的数组里, 也就是Entry[] table中,这样做可以尽量避免hash冲突。 -
关于& (INITIAL_CAPACITY - 1): 计算hash的时候里面采用了hashCode & (size - 1)的算法,这相当于取模运算hashCode % size的一个更高效的实现。正是因为这种算法,我们要求size必须是2的整次幂,这也能保证在索引不越界的前提下,使得hash发生冲突的次数减小。
ThreadLocalMap中的set方法
- 首先还是根据key计算出索引 i,然后查找i位置上的Entry
- 若是Entry已经存在并且key等于传入的key,那么这时候直接给这个Entry赋新的value值
- 若是Entry存在,但是key为null,则调用replaceStaleEntry来更换这个key为空的Entry
- 不断循环检测,直到遇到为null的地方,这时候要是还没在循环过程中return,那么就在这个null的位置新建一个Entry,并且插入,同时size增加1。
- 最后调用cleanSomeSlots,清理key为null的Entry,最后返回是否清理了Entry,接下来再判断sz 是否>= thresgold达到了rehash的条件,达到的话就会调用rehash函数执行一次全表的扫描清理。