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Java程式設計中的ThreadLocal詳解與源碼分析

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Apr 21, 2023 pm 03:19 PM

javathreadlocal

引導語

ThreadLocal 提供了一種方式，讓在多執行緒環境下，每個執行緒都可以擁有自己獨特的數據，並且可以在整個執行緒執行過程中，從上而下的傳遞。

1、用法示範

可能很多同學沒有使用過ThreadLocal，我們先來示範下ThreadLocal 的用法，demo 如下：

/**
 * ThreadLocal 中保存的数据是 Map
 */
static final ThreadLocal<Map<String, String>> context = new ThreadLocal<>();
@Test
public void testThread() {
  // 从上下文中拿出 Map
  Map<String, String> contextMap = context.get();
  if (CollectionUtils.isEmpty(contextMap)) {
    contextMap = Maps.newHashMap();
  }
  contextMap.put("key1", "value1");
  context.set(contextMap);
  log.info("key1，value1被放到上下文中");
	// 从上下文中拿出刚才放进去的数据
  getFromComtext();
}
private String getFromComtext() {
  String value1 = context.get().get("key1");
  log.info("从 ThreadLocal 中取出上下文，key1 对应的值为：{}", value1);
  return value1;
}
//运行结果:
demo.ninth.ThreadLocalDemo - key1，value1被放到上下文中
demo.ninth.ThreadLocalDemo - 从 ThreadLocal 中取出上下文，key1 对应的值为：value1

從運行結果可以看到，key1 對應的值已經從上下文拿到了。

getFromComtext 方法是沒有接受任何入參的，透過context.get().get(“key1”) 這行程式碼就從上下文中拿到了key1 的值，接下來我們一起來看下ThreadLocal底層是如何實現上下文的傳遞的。

2、類別結構

2.1、類別泛型

ThreadLocal 定義類別時帶有泛型，說明ThreadLocal 可以儲存任意格式的數據，原始碼如下：

public class ThreadLocal<T> {}

2.2、關鍵屬性

ThreadLocal 有幾個關鍵屬性，我們一一看：

// threadLocalHashCode 表示当前 ThreadLocal 的 hashCode，用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
// 计算 ThreadLocal 的 hashCode 值(就是递增)
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
// static + AtomicInteger 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的
// 被 static 修饰非常关键，因为一个线程在处理业务的过程中，ThreadLocalMap 是会被 set 多个 ThreadLocal 的，多个 ThreadLocal 就依靠 threadLocalHashCode 进行区分
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

還有一個重要屬性：ThreadLocalMap，當一個執行緒有多個ThreadLocal時，需要一個容器來管理多個ThreadLocal，ThreadLocalMap 的功能就是這個，管理線程中多個ThreadLocal。

2.2.1、ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 本身就是一個簡單的Map 結構，key 是ThreadLocal，value 是ThreadLocal 儲存的值，底層是陣列的資料結構，原始碼如下：

// threadLocalHashCode 表示当前 ThreadLocal 的 hashCode，用于计算当前 ThreadLocal 在 ThreadLocalMap 中的索引位置
private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
// 计算 ThreadLocal 的 hashCode 值(就是递增)
private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
// static + AtomicInteger 保证了在一台机器中每个 ThreadLocal 的 threadLocalHashCode 是唯一的
// 被 static 修饰非常关键，因为一个线程在处理业务的过程中，ThreadLocalMap 是会被 set 多个 ThreadLocal 的，多个 ThreadLocal 就依靠 threadLocalHashCode 进行区分
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

從原始碼看到ThreadLocalMap 其實就是一個簡單的Map 結構，底層是數組，有初始化大小，也有擴容閾值大小，數組的元素是Entry，Entry 的key 就是ThreadLocal 的引用，value 是ThreadLocal 的值。

3、ThreadLocal 是如何做到線程之間資料隔離的

ThreadLocal 是線程安全的，我們可以放心使用，主要因為是ThreadLocalMap 是線程的屬性，我們看下線程Thread的原始碼，如下：

Java程式設計中的ThreadLocal詳解與源碼分析

從上圖中，我們可以看到ThreadLocals.ThreadLocalMap 和InheritableThreadLocals.ThreadLocalMap 分別是執行緒的屬性，所以每個執行緒的ThreadLocals 都是隔離獨享的。

父執行緒在建立子執行緒的情況下，會拷貝inheritableThreadLocals 的值，但不會拷貝threadLocals 的值，原始碼如下：

Java程式設計中的ThreadLocal詳解與源碼分析

從上圖中我們可以看到，在執行緒建立時，會把父執行緒的inheritableThreadLocals 屬性值進行拷貝。

4、set 方法

set 方法的主要功能是往當前ThreadLocal 裡面set 值，假如當前ThreadLocal 的泛型是Map，那麼就是往當前ThreadLocal 裡面set map，原始碼如下：

// set 操作每个线程都是串行的，不会有线程安全的问题
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 当前 thradLocal 之前有设置值，直接设置，否则初始化
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    // 初始化ThreadLocalMap
    else
        createMap(t, value);
}

程式碼邏輯比較清晰，我們一起來看下ThreadLocalMap.set 的源碼，如下：

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 计算 key 在数组中的下标，其实就是 ThreadLocal 的 hashCode 和数组大小-1取余
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
 
    // 整体策略：查看 i 索引位置有没有值，有值的话，索引位置 + 1，直到找到没有值的位置
    // 这种解决 hash 冲突的策略，也导致了其在 get 时查找策略有所不同，体现在 getEntryAfterMiss 中
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         // nextIndex 就是让在不超过数组长度的基础上，把数组的索引位置 + 1
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        // 找到内存地址一样的 ThreadLocal，直接替换
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        // 当前 key 是 null，说明 ThreadLocal 被清理了，直接替换掉
        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }
    // 当前 i 位置是无值的，可以被当前 thradLocal 使用
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    // 当数组大小大于等于扩容阈值(数组大小的三分之二)时，进行扩容
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

上面源碼我們注意幾點：

#是透過遞增的AtomicInteger 作為ThreadLocal 的hashCode 的；
計算數組索引位置的公式是：hashCode 取模組大小，由於hashCode 不斷自增，所以不同的hashCode大概率上會計算到同一個陣列的索引位置（但這個不用擔心，在實際項目中，ThreadLocal 都很少，基本上不會衝突）；
透過hashCode 計算的索引位置i 處如果已經有值了，會從i 開始，通過1 不斷的往後尋找，直到找到索引位置為空的地方，把當前ThreadLocal 作為key 放進去。

好在日常工作中使用 ThreadLocal 時，常常只使用 1~2 個 ThreadLocal，透過 hash 計算出重複的陣列的機率並不是很大。

set 時的解決數組元素位置衝突的策略，也對 get 方法產生了影響，接著我們一起來看 get 方法。

5、get 方法

get 方法主要是從ThreadLocalMap 拿到目前ThreadLocal 儲存的值，原始碼如下：

public T get() {
    // 因为 threadLocal 属于线程的属性，所以需要先把当前线程拿出来
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 从线程中拿到 ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // 从 map 中拿到 entry，由于 ThreadLocalMap 在 set 时的 hash 冲突的策略不同，导致拿的时候逻辑也不太一样
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        // 如果不为空，读取当前 ThreadLocal 中保存的值
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 否则给当前线程的 ThreadLocal 初始化，并返回初始值 null
    return setInitialValue();
}

接著我們來看下ThreadLocalMap 的getEntry 方法，原始碼如下：

// 得到当前 thradLocal 对应的值，值的类型是由 thradLocal 的泛型决定的
// 由于 thradLocalMap set 时解决数组索引位置冲突的逻辑，导致 thradLocalMap get 时的逻辑也是对应的
// 首先尝试根据 hashcode 取模数组大小-1 = 索引位置 i 寻找，找不到的话，自旋把 i+1，直到找到索引位置不为空为止
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
    // 计算索引位置：ThreadLocal 的 hashCode 取模数组大小-1
    int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
    Entry e = table[i];
    // e 不为空，并且 e 的 ThreadLocal 的内存地址和 key 相同，直接返回，否则就是没有找到，继续通过 getEntryAfterMiss 方法找
    if (e != null && e.get() == key)
        return e;
    else
    // 这个取数据的逻辑，是因为 set 时数组索引位置冲突造成的  
        return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}

// 自旋 i+1，直到找到为止
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 在大量使用不同 key 的 ThreadLocal 时，其实还蛮耗性能的
    while (e != null) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
        // 内存地址一样，表示找到了
        if (k == key)
            return e;
        // 删除没用的 key
        if (k == null)
            expungeStaleEntry(i);
        // 继续使索引位置 + 1
        else
            i = nextIndex(i, len);
        e = tab[i];
    }
    return null;
}

get 邏輯原始碼中註解已經寫的很清楚了，我們就不重複說了。

6、擴容

ThreadLocalMap 中的ThreadLocal 的數量超過閾值時，ThreadLocalMap 就要開始擴容了，我們一起來看下擴容的邏輯：

//扩容
private void resize() {
    // 拿出旧的数组
    Entry[] oldTab = table;
    int oldLen = oldTab.length;
    // 新数组的大小为老数组的两倍
    int newLen = oldLen * 2;
    // 初始化新数组
    Entry[] newTab = new Entry[newLen];
    int count = 0;
    // 老数组的值拷贝到新数组上
    for (int j = 0; j < oldLen; ++j) {
        Entry e = oldTab[j];
        if (e != null) {
            ThreadLocal<?> k = e.get();
            if (k == null) {
                e.value = null; // Help the GC
            } else {
                // 计算 ThreadLocal 在新数组中的位置
                int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                // 如果索引 h 的位置值不为空，往后+1，直到找到值为空的索引位置
                while (newTab[h] != null)
                    h = nextIndex(h, newLen);
                // 给新数组赋值
                newTab[h] = e;
                count++;
            }
        }
    }
    // 给新数组初始化下次扩容阈值，为数组长度的三分之二
    setThreshold(newLen);
    size = count;
    table = newTab;
}

源碼註解也比較清晰，我們注意到兩點：