揭祕ThreadLocal

大閒人柴毛毛發表於2019-03-04
thread

ThreadLocal是開發中最常用的技術之一，也是面試重要的考點。本文將由淺入深，介紹ThreadLocal的使用方式、實現原理、記憶體洩漏問題以及使用場景。

揭祕ThreadLocal

ThreadLocal作用

在併發程式設計中時常有這樣一種需求：每條執行緒都需要存取一個同名變數，但每條執行緒中該變數的值均不相同。

如果是你，該如何實現上述功能？常規的思路如下：
使用一個執行緒共享的Map<Thread,Object>，Map中的key為執行緒物件，value即為需要儲存的值。那麼，我們只需要通過map.get(Thread.currentThread())即可獲取本執行緒中該變數的值。

這種方式確實可以實現我們的需求，但它有何缺點呢？——答案就是：需要同步，效率低！

由於這個map物件需要被所有執行緒共享，因此需要加鎖來保證執行緒安全性。當然我們可以使用java.util.concurrent.*包下的ConcurrentHashMap提高併發效率，但這種方法只能降低鎖的粒度，不能從根本上避免同步鎖。而JDK提供的ThreadLocal就能很好地解決這一問題。下面來看看ThreadLocal是如何高效地實現這一需求的。

如何使用ThreadLocal

在介紹ThreadLocal原理之前，首先簡單介紹一下它的使用方法。

public class Main{
    private ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    
    public void start() {
        for (int i=0; i<10; i++) {
            new Thread(new Runnable(){
                @override
                public void run(){
                    threadLocal.set(i);
                    threadLocal.get();
                    threadLocal.remove();
                }
            }).start();
        }
    }
}
複製程式碼
  • 首先我們需要建立一個執行緒共享的ThreadLocal物件，該物件用於儲存Integer型別的值；
  • 然後在每條執行緒中可以通過如下方法操作ThreadLocal：
    • set(obj)：向當前執行緒中儲存資料
    • get()：獲取當前執行緒中的資料
    • remove()：刪除當前執行緒中的資料

ThreadLocal的使用方法非常簡單，關鍵在於它背後的實現原理。回到上面的問題：ThreadLocal究竟是如何避免同步鎖，從而保證讀寫的高效？

ThreadLocal實現原理

ThreadLocal的內部結構如下圖所示：

title

ThreadLocal並不維護ThreadLocalMap，並不是一個儲存資料的容器，它只是相當於一個工具包，提供了操作該容器的方法，如get、set、remove等。而ThreadLocal內部類ThreadLocalMap才是儲存資料的容器，並且該容器由Thread維護。

每一個Thread物件均含有一個ThreadLocalMap型別的成員變數threadLocals，它儲存本執行緒中所有ThreadLocal物件及其對應的值。

ThreadLocalMap由一個個Entry物件構成，Entry的程式碼如下：

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    Object value;

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

Entry繼承自WeakReference<ThreadLocal<?>>，一個Entry由ThreadLocal物件和Object構成。由此可見，Entry的key是ThreadLocal物件，並且是一個弱引用。當沒指向key的強引用後，該key就會被垃圾收集器回收。

那麼，ThreadLocal是如何工作的呢？下面來看set和get方法。

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

當執行set方法時，ThreadLocal首先會獲取當前執行緒物件，然後獲取當前執行緒的ThreadLocalMap物件。再以當前ThreadLocal物件為key，將值儲存進ThreadLocalMap物件中。

get方法執行過程類似。ThreadLocal首先會獲取當前執行緒物件，然後獲取當前執行緒的ThreadLocalMap物件。再以當前ThreadLocal物件為key，獲取對應的value。

由於每一條執行緒均含有各自私有的ThreadLocalMap容器，這些容器相互獨立互不影響，因此不會存線上程安全性問題，從而也無需使用同步機制來保證多條執行緒訪問容器的互斥性。

為何要使用弱引用？

對弱引用不了解的同學可以參考筆者的另一篇文章：http://blog.csdn.net/u010425776/article/details/50760053。

Java設計之初的一大宗旨就是——弱化指標。
Java設計者希望通過合理的設計簡化程式設計，讓程式設計師無需處理複雜的指標操作。然而指標是客觀存在的，在目前的Java開發中也不可避免涉及到“指標操作”。如：

Object a = new Object();
複製程式碼

上述程式碼建立了一個強引用a，只要強引用存在，垃圾收集器是不會回收該物件的。如果該物件非常龐大，那麼為了節約記憶體空間，在該物件使用完成後，我們需要手動拆除該強引用，如下面程式碼所示：

a = null;
複製程式碼

此時，指向該物件的強引用消除了，垃圾收集器便可以回收該物件。但在這個過程中，仍然需要程式設計師處理指標。為了弱化指標這一概念，弱引用便出現了，如下程式碼建立了一個Person型別的弱引用：

WeakReference<Person> wr = new WeakReference<Person>(new Person()); 
複製程式碼

此時程式設計師不用再關注指標，只要沒有強引用指向Person物件，垃圾收集器每次執行都會自動將該物件釋放。

那麼，ThreadLocalMap中的key使用弱引用的原因也是如此。當一條執行緒中的ThreadLocal物件使用完畢，沒有強引用指向它的時候，垃圾收集器就會自動回收這個Key，從而達到節約記憶體的目的。

那麼，問題又來了——這會導致記憶體洩漏問題！

ThreadLocal的記憶體洩漏問題

在ThreadLocalMap中，只有key是弱引用，value仍然是一個強引用。當某一條執行緒中的ThreadLocal使用完畢，沒有強引用指向它的時候，這個key指向的物件就會被垃圾收集器回收，從而這個key就變成了null；然而，此時value和value指向的物件之間仍然是強引用關係，只要這種關係不解除，value指向的物件永遠不會被垃圾收集器回收，從而導致記憶體洩漏！

不過不用擔心，ThreadLocal提供了這個問題的解決方案。

每次操作set、get、remove操作時，ThreadLocal都會將key為null的Entry刪除，從而避免記憶體洩漏。

那麼問題又來了，如果一個執行緒執行週期較長，而且將一個大物件放入LocalThreadMap後便不再呼叫set、get、remove方法，此時該仍然可能會導致記憶體洩漏。

這個問題確實存在，沒辦法通過ThreadLocal解決，而是需要程式設計師在完成ThreadLocal的使用後要養成手動呼叫remove的習慣，從而避免記憶體洩漏。

ThreadLocal的使用場景

Web系統Session的儲存就是ThreadLocal一個典型的應用場景。

Web容器採用執行緒隔離的多執行緒模型，也就是每一個請求都會對應一條執行緒，執行緒之間相互隔離，沒有共享資料。這樣能夠簡化程式設計模型，程式設計師可以用單執行緒的思維開發這種多執行緒應用。

當請求到來時，可以將當前Session資訊儲存在ThreadLocal中，在請求處理過程中可以隨時使用Session資訊，每個請求之間的Session資訊互不影響。當請求處理完成後通過remove方法將當前Session資訊清除即可。

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