Java中ThreadLocal線程變數的實作原理是什麼

ThreadLocal是什麼?

ThreadLocal 使得我們可以創建線程私有的變數, 這個變數相對於其他線程來說是不可見的,ThreadLocal為變數在每個線程中都創建了一個副本,每個執行緒可以存取自己私有的執行緒變數,程式碼範例如下: 

public class ThreadLocalDemo {
 
    //创建一个ThreadLocal对象,用来为每个线程会复制保存一份变量,实现线程封闭
    private  static ThreadLocal<Integer> localNum = new ThreadLocal<Integer>(){
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 1;
        }
    };
 
    public static void main(String[] args) {
          //线程0
          new Thread(){
              @Override
              public void run() {
                   localNum.set(1);
                  try {
                      Thread.sleep(2000);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  localNum.set(localNum.get()+10);
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//11
              }
          }.start();
        //线程1
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                localNum.set(3);
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                localNum.set(localNum.get()+20);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//23
            }
        }.start();
        
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//0
    }
}

如上所述, 算上main執行緒與新建的兩個執行緒,總共三個執行緒, 每個執行緒都包含自己的私有變數,此處我們設定值1 , set() 和get() 方法用來設定值與取得值, 執行結果如下: 

ThreadLocal實作原理分析

ThreadLocal是一個泛型類別, 可以接受任何類型的物件, 其內部維護了一個ThreadLocalMap 的靜態內部類別,  我們使用的get(), set()等其實都來自這個類別, 每次都會為目前執行緒建立一個ThreadLocalMap物件, 用來記錄私有的值

#先看set() 方法

public void set(T value) {
    //拿到当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //拿到当前线程map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        //存在设置值
        map.set(this, value);
    else
        //不存在则创建
        createMap(t, value); 
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    //threadLocals属性即为此map
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

接著是get() 方法

public T get() {
    //拿到当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //拿到当前线程对应的map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    //如果已有map
    if (map != null) {
        //取值操作, 拿到对应的Entry
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
           @SuppressWarnings("unchecked")
           T result = (T)e.value;
           return result;
        }
    }
    //没有map, 则去创建初始化一个map
    return setInitialValue();
}

private T setInitialValue() {
    //initialValue()方法返回的value为null
    T value = initialValue();
    //拿到当前线程去创建对应的map
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

ThreadLocal可以理解為對ThreadLocalMap的封裝

ThreadLocal記憶體洩漏問題

在ThreadLocalMap中，ThreadLocal物件使用弱引用作為鍵

這樣的話, 如果一個ThreadLocal不存在外部強引用時, 那麼key注定要被GC回收, 這樣導致ThreadLocalMap 中key為null , 而value還存在著強引用鏈

#一個線程可以同時擁有多個ThreadLocal, 如果作為弱引用的key被回收後, value還不能被回收,那麼這就導致此ThreadLocal的生命週期和此線程是一樣長的(因為線程執行完畢後此value的強引用鏈才會斷), 如果線程一直不結束, 堆積的value也一直無法被回收, 那麼就會產生內存洩漏問題

這裡解決問題的方式是: 每次使用完ThreadLocal後都調用它的remove()方法清除資料

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
       m.remove(this);
}

這裡我們再來看一下key作為強弱引用的區別

如果key作為強引用, 那麼它的生命週期和線程一樣長,存在穩定的強引用鏈,無法被回收,產生記憶體洩漏問題, 而如果作為弱參考, GC則會自動的去回收它們, 在後續的remove()方法中也可以更好的去回收value , 所以我們一般將ThreadLocal設計成private static 的, 在使用完後用remove()方法去手動刪除它們

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