ThreadLocal分析

我是2貨呀發表於2019-08-07
thread

ThreadLocal是什麼

ThreadLocal是一個本地執行緒副本變數工具類。主要用於將私有執行緒和該執行緒存放的副本物件做一個對映，各個執行緒之間的變數互不干擾，在高併發場景下，可以實現無狀態的呼叫，特別適用於各個執行緒依賴不通的變數值完成操作的場景。

從資料結構入手

下圖為ThreadLocal的內部結構圖

ThreadLocal結構內部

從上面的結構圖，我們已經窺見ThreadLocal的核心機制：

  • 每個Thread執行緒內部都有一個Map。
  • Map裡面儲存執行緒本地物件（key）和執行緒的變數副本（value）
  • 但是，Thread內部的Map是由ThreadLocal維護的，由ThreadLocal負責向map獲取和設定執行緒的變數值。

所以對於不同的執行緒，每次獲取副本值時，別的執行緒並不能獲取到當前執行緒的副本值，形成了副本的隔離，互不干擾。

Thread執行緒內部的Map在類中描述如下：

public class Thread implements Runnable {
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

深入解析ThreadLocal

ThreadLocal類提供如下幾個核心方法：

public T get()
public void set(T value)
public void remove()
  • get()方法用於獲取當前執行緒的副本變數值。
  • set()方法用於儲存當前執行緒的副本變數值。
  • initialValue()為當前執行緒初始副本變數值。
  • remove()方法移除當前前程的副本變數值。

get()方法

/**
 * Returns the value in the current thread's copy of this
 * thread-local variable.  If the variable has no value for the
 * current thread, it is first initialized to the value returned
 * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
 *
 * @return the current thread's value of this thread-local
 */
public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null)
            return (T)e.value;
    }
    return setInitialValue();
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

protected T initialValue() {
    return null;
}

步驟：
1.獲取當前執行緒的ThreadLocalMap物件threadLocals
2.從map中獲取執行緒儲存的K-V Entry節點。
3.從Entry節點獲取儲存的Value副本值返回。
4.map為空的話返回初始值null，即執行緒變數副本為null，在使用時需要注意判斷NullPointerException。

set()方法

/**
 * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
 * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
 * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
 * method to set the values of thread-locals.
 *
 * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
 *        this thread-local.
 */
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

void createMap(Thread t, T firstValue) {
    t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

步驟：
1.獲取當前執行緒的成員變數map
2.map非空，則重新將ThreadLocal和新的value副本放入到map中。
3.map空，則對執行緒的成員變數ThreadLocalMap進行初始化建立，並將ThreadLocal和value副本放入map中。

remove()方法

/**
 * Removes the current thread's value for this thread-local
 * variable.  If this thread-local variable is subsequently
 * {@linkplain #get read} by the current thread, its value will be
 * reinitialized by invoking its {@link #initialValue} method,
 * unless its value is {@linkplain #set set} by the current thread
 * in the interim.  This may result in multiple invocations of the
 * <tt>initialValue</tt> method in the current thread.
 *
 * @since 1.5
 */
public void remove() {
 ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
 if (m != null)
     m.remove(this);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

remove方法比較簡單，不做贅述。

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的內部類，沒有實現Map介面，用獨立的方式實現了Map的功能，其內部的Entry也獨立實現。

 
ThreadLocalMap類圖

在ThreadLocalMap中，也是用Entry來儲存K-V結構資料的。但是Entry中key只能是ThreadLocal物件，這點被Entry的構造方法已經限定死了。

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

    Entry(ThreadLocal k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

Entry繼承自WeakReference（弱引用，生命週期只能存活到下次GC前），但只有Key是弱引用型別的，Value並非弱引用。

ThreadLocalMap的成員變數：

static class ThreadLocalMap {
    /**
     * The initial capacity -- MUST be a power of two.
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * The table, resized as necessary.
     * table.length MUST always be a power of two.
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * The number of entries in the table.
     */
    private int size = 0;

    /**
     * The next size value at which to resize.
     */
    private int threshold; // Default to 0
}

Hash衝突怎麼解決

和HashMap的最大的不同在於，ThreadLocalMap結構非常簡單，沒有next引用，也就是說ThreadLocalMap中解決Hash衝突的方式並非連結串列的方式，而是採用線性探測的方式，所謂線性探測，就是根據初始key的hashcode值確定元素在table陣列中的位置，如果發現這個位置上已經有其他key值的元素被佔用，則利用固定的演算法尋找一定步長的下個位置，依次判斷，直至找到能夠存放的位置。

ThreadLocalMap解決Hash衝突的方式就是簡單的步長加1或減1，尋找下一個相鄰的位置。

/**
 * Increment i modulo len.
 */
private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

/**
 * Decrement i modulo len.
 */
private static int prevIndex(int i, int len) {
    return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
}

顯然ThreadLocalMap採用線性探測的方式解決Hash衝突的效率很低，如果有大量不同的ThreadLocal物件放入map中時傳送衝突，或者發生二次衝突，則效率很低。

所以這裡引出的良好建議是：每個執行緒只存一個變數，這樣的話所有的執行緒存放到map中的Key都是相同的ThreadLocal，如果一個執行緒要儲存多個變數，就需要建立多個ThreadLocal，多個ThreadLocal放入Map中時會極大的增加Hash衝突的可能。

ThreadLocalMap的問題

由於ThreadLocalMap的key是弱引用，而Value是強引用。這就導致了一個問題，ThreadLocal在沒有外部物件強引用時，發生GC時弱引用Key會被回收，而Value不會回收，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。

如何避免洩漏
既然Key是弱引用，那麼我們要做的事，就是在呼叫ThreadLocal的get()、set()方法時完成後再呼叫remove方法，將Entry節點和Map的引用關係移除，這樣整個Entry物件在GC Roots分析後就變成不可達了，下次GC的時候就可以被回收。

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<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();
try {
    threadLocal.set(new Session(1, "Misout的部落格"));
    // 其它業務邏輯
} finally {
    threadLocal.remove();
}

應用場景

還記得Hibernate的session獲取場景嗎？

private static final ThreadLocal<Session> threadLocal = new ThreadLocal<Session>();

//獲取Session
public static Session getCurrentSession(){
    Session session =  threadLocal.get();
    //判斷Session是否為空，如果為空，將建立一個session，並設定到本地執行緒變數中
    try {
        if(session ==null&&!session.isOpen()){
            if(sessionFactory==null){
                rbuildSessionFactory();// 建立Hibernate的SessionFactory
            }else{
                session = sessionFactory.openSession();
            }
        }
        threadLocal.set(session);
    } catch (Exception e) {
        // TODO: handle exception
    }

    return session;
}

為什麼？每個執行緒訪問資料庫都應當是一個獨立的Session會話，如果多個執行緒共享同一個Session會話，有可能其他執行緒關閉連線了，當前執行緒再執行提交時就會出現會話已關閉的異常，導致系統異常。此方式能避免執行緒爭搶Session，提高併發下的安全性。

使用ThreadLocal的典型場景正如上面的資料庫連線管理，執行緒會話管理等場景，只適用於獨立變數副本的情況，如果變數為全域性共享的，則不適用在高併發下使用。

總結

  • 每個ThreadLocal只能儲存一個變數副本，如果想要上線一個執行緒能夠儲存多個副本以上，就需要建立多個ThreadLocal。
  • ThreadLocal內部的ThreadLocalMap鍵為弱引用，會有記憶體洩漏的風險。
  • 適用於無狀態，副本變數獨立後不影響業務邏輯的高併發場景。如果如果業務邏輯強依賴於副本變數，則不適合用ThreadLocal解決，需要另尋解決方案。

 

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