JDK源码白话解读之ThreadLocal篇

2024-04-02 19:55

短信预约 -IT技能 免费直播动态提醒

引言

因此本文主要结合常见的一些疑问、ThreadLocal源码、应用实例以注意事项来全面而深入地再详细讲解一遍ThreadLocal。希望大家看完本文后可以彻底掌握ThreadLocal。

ThreadLocal是什么？它能干什么？

在阐述ThreadLocal之前，我们先来看下它的设计者是怎么描述ThreadLocal的吧。

看完官方的描述后，结合自己的理解，ThreadLocal提供了一种对应独立线程内的数据访问机制，实现了变量在线程之间隔离，在线程生命周期内独立获取或者设置的能力。如果我们想在线程内传递参数但是有不想作为方法参数的时候，ThreadLocal就可以排上用场了。不过值得注意的是ThreadLocal并不会解决变量共享问题。实际上从ThreadLocal的名称上面来看，线程本地变量也已经大致说明了它的作用，所以变量的命名还是非常重要的，要做到顾名思义。如果觉得还不是很理解，没关系，我们可以通过以下的场景再加深下理解。

假如有以下的场景，假设只有一个数据库连接，客户端1、2、3都需要获取数据库连接来进行具体的数据库操作，但是同一时间点只能有一个线程获取连接，其他线程只能等待。因此就会出现数据库访问效率不高的问题。

那我们有没有什么办法能够避免线程等待的情况呢？上述问题的根本原因是数据库连接是共享变量，同事只能有一个线程可以进行操作。那如果三个线程都有自己的数据库连接，互相隔离，那不就不会出现等待的问题了嘛。那么此时我么可以使用ThreadLocal实现在不同线程中的变量隔离。可以看出来，ThreadLocal是一种已空间换取时间的做法。

ThreadLocal实现线程隔离的秘密

从上文中，我们了解到ThreadLocal可以实现变量访问的线程级别的隔离。那么它是到底如何实现的呢？这还需要结合Thread以及ThreadLocal的源码来分析才能揭开ThreadLocal实现线程隔离的神秘面纱。


public class Thread implements Runnable {
    ...
    
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ...
    
}

在Thread源码中我们发现，它有一个threadLocals变量，它的类型是ThreadLocal中的内部类ThreadLocalMap。我们在看下ThreadLocalMap的定义是怎样的。从源码中我们可以看出来，ThreadLocalMap实际上就是Entry数组，这个Entry对应的key实际就是ThreadLocal的实例，value就是实际的变量值。


public class ThreadLocal<T> {
  ...
    
   static class ThreadLocalMap {
     
      static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
       ...
       //底层数据结构是数组
       private Entry[] table;
       ...
     
   }
  ...
  
}

通过查看上述的源码，如果还不太好理解的话，我们再结合下现实中的例子来理解。大家都有支付宝账户，我们通过它来管理着我们的银行卡、余额、花呗这些金融服务。

我们以支付宝以及支付宝账户进行类比，假设ThreadLocal就是支付宝，每个支付宝账户实际就是单独的线程，而账户中的余额属性就相当于Thread的私有属性ThreadLocalMap。我们在日常生活中，进行账户余额的充值或者消费，并不是直接通过账户进行操作的，而是借助于支付宝进行维护的。这就相当于每个线程对ThreadLocalMap进行操作的时候也不是直接操作的，而是借助于ThreadLocal来操作。

那么Thread到底是怎么借助ThreadLocal进行私有属性管理的呢？还是需要进一步查看Thread进行set以及get操作的源码。从以下的ThreadLocal的源码中我们可以看出，在进行操作之前，需要获取当前的执行操作的线程，再根据线程或者线程中私有的ThreadLocalMap属性来进行操作。

在进行数据获取的时候，也是按照同样的流程，先获取当前的线程，再获取线程中对应的ThreadLocalMap属性来进行后续的值的获取。

经过上述的源码的分析，我们可以得出这样的结论，ThreadLocal之所以可以实现变量的线程隔离访问，实际上就是借助于Thread中的ThreadLocalMap属性来进行操作。由于都是操作线程本身的属性，因此并不会影响其他线程中的变量值，因此可以实现线程级别的数据修改隔离。

为什么ThreadLocal会出现OOM的问题？

内存泄漏演示

我们都知道，ThreadLocal如果使用不当的话会出现内存泄漏的问题，那么我们就通过下面的这段代码来分析下，内存泄漏的原因到底是什么。



public class ThreadLocalOOM {

    
    private static Executor threadPool = new ThreadPoolExecutor(3, 3, 40,
            TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>());


    static class Info {
        private byte[] info = new byte[10 * 1024 * 1024];
    }

    private  static ThreadLocal<Info> infoThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadPool.execute(() -> {
                infoThreadLocal.set(new Info());
                System.out.println("Thread started:" + Thread.currentThread().getName());
            });
            Thread.sleep(100);
        }

    }
}

手动进行GC之后，我们可以发现堆中仍然有超过30M的堆内存占用，如上面的代码，在线程池中活跃的线程会有三个，对应的value为10M，说明在线程还存活的情况下，对应的value并没有被回收，因此存在内存泄漏的情况，如果存在大量线程的情况，就会出现OOM。

当我们修改代码在线程中进行remove操作，手动GC之后我们发现堆内存趋近于0了，之前没有被回收的对象已经被回收了。

内存泄漏问题分析

以上是对于ThreadLocal发生内存泄漏问题的演示，那么再来仔细分析下背后的原因是什么。ThreadLocal中实际存储数据的是ThreadLocalMap，实际上Map对应的key是一个虚引用，在GC的时候可以被回收掉，但是问题就在于key所对应的value，它是强引用，只要线程存活，那么这条引用链就会一致存在，如果出现大量线程的时候就会有OOM的风险。所以在使用ThreadLocal的时候一定记得要显式的调用remove方法进行清理，防止内存泄漏。

父子线程的参数传递

到这里，我相信大家对于ThreadLocal的原理有了比较深入的理解了。结合上文中的ThreadLocal代码，不知道大家有没有思考过一个问题，我们在使用ThreadLocal的时候都是在同一个线程内进行了set以及get操作，那么如果set操作与get操作在父子线程中是否还可以正常的获取呢？带着这样的疑问，我们来看下如下的代码。



public class InheritableThreadLocalMain {

    private static final ThreadLocal<String> count = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {

        count.set("父子线程参数传递！！！");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());
        }).start();

    }

}

与之前代码有所不同，ThreadLocal的设值是在main线程中进行的，但是获取操作实际是在主线程下的子线程中进行的，大家可以分析一下运行结果是怎么样的。

看到这个运行结果，不知道大家分析的对不对呢。实际上如果理解了上文的核心的话，这个问题应该很好分析的。ThreadLocal获取数据的时候，首先是需要获取当前的线程的，根据线程获取实际存储数据的ThreadLocalMap，上文代码中设置和获取在父子线程中进行，那肯定是获取不到设置的数据的。但是在现实的项目开发中，我们会经常遇到需要将父线程的变量值传递给子线程进行处理，那么应该要怎么来实现呢？这个时候InheritableThreadLocal就派上用场了。



public class InheritableThreadLocalMain {

    private static final ThreadLocal<String> count = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {

        count.set("父子线程参数传递！！！");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count.get());
        }).start();

    }

}

那么InheritableThreadLocal到底是如何实现父子线程的参数传递的呢？我么还是的看看源码中的实现原理。实际上在Thread源码中，除了有Threadlocal私有属性还有InheritableThreadLocal私有属性。


public class Thread implements Runnable {
    
     
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
...
    public Thread(Runnable target) {
        init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
    }
    
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize) {
        init(g, target, name, stackSize, null, true);
    }
    
    private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        ...
        //关键
         if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals); 
        ...    
        
    }
    ...
    
}

实际在进行子线程创建的时候，在线程初始化过程中，判断了父线程中的inheritableThreadLocals属性是否为空，如果不为空的话需要进行值的复制，这样便实现了父子线程的值传递。