Java面試必問，ThreadLocal終極篇

佔小狼發表於2019-03-03
Java面試thread

佔小狼 轉載請註明原創出處，謝謝！

Java面試必問，ThreadLocal終極篇

前言

在面試環節中，考察”ThreadLocal”也是面試官的家常便飯，所以對它理解透徹，是非常有必要的.

有些面試官會開門見山的提問：

  • “知道ThreadLocal嗎？”
  • “講講你對ThreadLocal的理解”

當然了，也有面試官會慢慢引導到這個話題上，比如提問“在多執行緒環境下，如何防止自己的變數被其它執行緒篡改”，將主動權交給你自己，剩下的靠自己發揮。

那麼ThreadLocal可以做什麼，在瞭解它的應用場景之前，我們先看看它的實現原理，只有知道了實現原理，才好判斷它是否符合自己的業務場景。

ThreadLocal是什麼

首先，它是一個資料結構，有點像HashMap，可以儲存”key : value”鍵值對，但是一個ThreadLocal只能儲存一個，並且各個執行緒的資料互不干擾。

ThreadLocal<String> localName = new ThreadLocal();
localName.set("佔小狼");
String name = localName.get();
複製程式碼

線上程1中初始化了一個ThreadLocal物件localName，並通過set方法，儲存了一個值佔小狼，同時線上程1中通過localName.get()可以拿到之前設定的值，但是如果線上程2中，拿到的將是一個null。

這是為什麼，如何實現？不過之前也說了，ThreadLocal保證了各個執行緒的資料互不干擾。

看看set(T value)和get()方法的原始碼

 public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}
複製程式碼

可以發現，每個執行緒中都有一個ThreadLocalMap資料結構，當執行set方法時，其值是儲存在當前執行緒的threadLocals變數中，當執行set方法中，是從當前執行緒的threadLocals變數獲取。

所以線上程1中set的值，對執行緒2來說是摸不到的，而且線上程2中重新set的話，也不會影響到執行緒1中的值，保證了執行緒之間不會相互干擾。

那每個執行緒中的ThreadLoalMap究竟是什麼？

ThreadLoalMap

本文分析的是1.7的原始碼。

從名字上看，可以猜到它也是一個類似HashMap的資料結構，但是在ThreadLocal中，並沒實現Map介面。

在ThreadLoalMap中，也是初始化一個大小16的Entry陣列，Entry物件用來儲存每一個key-value鍵值對，只不過這裡的key永遠都是ThreadLocal物件，是不是很神奇，通過ThreadLocal物件的set方法，結果把ThreadLocal物件自己當做key，放進了ThreadLoalMap中。

Java面試必問，ThreadLocal終極篇

這裡需要注意的是，ThreadLoalMap的Entry是繼承WeakReference，和HashMap很大的區別是，Entry中沒有next欄位，所以就不存在連結串列的情況了。

hash衝突

沒有連結串列結構，那發生hash衝突了怎麼辦？

先看看ThreadLoalMap中插入一個key-value的實現

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }

        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}
複製程式碼

每個ThreadLocal物件都有一個hash值threadLocalHashCode，每初始化一個ThreadLocal物件，hash值就增加一個固定的大小0x61c88647。

在插入過程中，根據ThreadLocal物件的hash值，定位到table中的位置i，過程如下：
1、如果當前位置是空的，那麼正好，就初始化一個Entry物件放在位置i上；
2、不巧，位置i已經有Entry物件了，如果這個Entry物件的key正好是即將設定的key，那麼重新設定Entry中的value；
3、很不巧，位置i的Entry物件，和即將設定的key沒關係，那麼只能找下一個空位置；

這樣的話，在get的時候，也會根據ThreadLocal物件的hash值，定位到table中的位置，然後判斷該位置Entry物件中的key是否和get的key一致，如果不一致，就判斷下一個位置

可以發現，set和get如果衝突嚴重的話，效率很低，因為ThreadLoalMap是Thread的一個屬性，所以即使在自己的程式碼中控制了設定的元素個數，但還是不能控制其它程式碼的行為。

記憶體洩露

ThreadLocal可能導致記憶體洩漏，為什麼？
先看看Entry的實現：

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}
複製程式碼

通過之前的分析已經知道，當使用ThreadLocal儲存一個value時，會在ThreadLocalMap中的陣列插入一個Entry物件，按理說key-value都應該以強引用儲存在Entry物件中，但在ThreadLocalMap的實現中，key被儲存到了WeakReference物件中。

這就導致了一個問題，ThreadLocal在沒有外部強引用時，發生GC時會被回收，如果建立ThreadLocal的執行緒一直持續執行，那麼這個Entry物件中的value就有可能一直得不到回收，發生記憶體洩露。

如何避免記憶體洩露

既然已經發現有記憶體洩露的隱患，自然有應對的策略，在呼叫ThreadLocal的get()、set()可能會清除ThreadLocalMap中key為null的Entry物件，這樣對應的value就沒有GC Roots可達了，下次GC的時候就可以被回收，當然如果呼叫remove方法，肯定會刪除對應的Entry物件。

如果使用ThreadLocal的set方法之後，沒有顯示的呼叫remove方法，就有可能發生記憶體洩露，所以養成良好的程式設計習慣十分重要，使用完ThreadLocal之後，記得呼叫remove方法。

ThreadLocal<String> localName = new ThreadLocal();
try {
    localName.set("佔小狼");
    // 其它業務邏輯
} finally {
    localName.remove();
}
複製程式碼

End
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