一、故事

地鐵上，小帥無力地倚靠著桿子，腦子里盡是剛才面試官的奪命連環(huán)問，“用過TheadLocal么？ThreadLocal是如何解決共享變量訪問的安全性的呢？你覺得啥場(chǎng)景下會(huì)用到TheadLocal? 我們?cè)谌粘Ｓ肨hreadLocal的時(shí)候需要注意什么？ThreadLocal在高并發(fā)場(chǎng)景下會(huì)造成內(nèi)存泄漏嗎？為什么？如何避免？......”

這些問題，如同陰影一般，在小帥的腦海里揮之不去。

是的，他萬萬沒想到，自詡“多線程小能手”的他栽在了ThreadLocal上。

這是小帥苦投了半個(gè)月簡(jiǎn)歷之后才拿到的面試機(jī)會(huì)，然而又喪失了。當(dāng)下行情實(shí)在是卷到了極點(diǎn)。

都兩個(gè)月了，面試機(jī)會(huì)少，居然還每次都被問翻，這樣下去真要回老家另謀出路了，小帥內(nèi)心五味成雜......

小伙伴們，試問一下，如果是你，面對(duì)上述的問題，你能否對(duì)答如流呢？

二、概要

既然被問到了，那么作為事后諸葛的老貓就和大家一起來接面試官的招吧。

我們將從以下點(diǎn)來全面剖析一下ThreadLocal。

概覽

三、基本篇

1.什么是ThreadLocal？

ThreadLocal英文翻譯過來就是：線程本地量，它其實(shí)是一種線程的隔離機(jī)制，保障了多線程環(huán)境下對(duì)于共享變量訪問的安全性。

看到上面的定義之后，那么問題就來了，ThreadLocal是如何解決共享變量訪問的安全性的呢？

其實(shí)ThreadLocal為變量在每個(gè)線程中都創(chuàng)建了一個(gè)副本，那么每個(gè)線程可以訪問自己內(nèi)部的副本變量。由于副本都?xì)w屬于各自的線程，所以就不存在多線程共享的問題了。

便于理解，我們看一下下圖。

結(jié)構(gòu)圖

至于上述圖中提及的threadLocals(ThreadLocalMap)，我們后文看源代碼的時(shí)候再繼續(xù)來看。大家心中暫時(shí)有個(gè)概念。

既然都是保證線程訪問的安全性，那么和Synchronized區(qū)別是什么呢？

在上面聊到共享變量訪問安全性的問題上，其實(shí)大家還會(huì)很容易想起另外一個(gè)關(guān)鍵字Synchronized。聊聊區(qū)別吧，整理了一張圖，看起來可能會(huì)更加直觀一些，如下。

對(duì)比

通過上圖，我們發(fā)現(xiàn)ThreadLocal其實(shí)是一種線程隔離機(jī)制。Synchronized則是一種基于Happens-Before規(guī)則里的監(jiān)視器鎖規(guī)則從而保證同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠?qū)蚕碜兞窟M(jìn)行更新。

Synchronized加鎖會(huì)帶來性能上的下降。ThreadLocal采用了空間換時(shí)間的設(shè)計(jì)思想，也就是說每個(gè)線程里面都有一個(gè)專門的容器來存儲(chǔ)共享變量的副本信息，然后每個(gè)線程只對(duì)自己的變量副本做相對(duì)應(yīng)的更新操作，這樣避免了多線程鎖競(jìng)爭(zhēng)的開銷。

2.ThreadLocal的使用

上面說了這么多，咱們來使用一下。就拿SimpleDateFormat來做個(gè)例子。當(dāng)然也會(huì)有一道這樣的面試題，SimpleDateFormat是否是線程安全的？在阿里Java開發(fā)規(guī)約中，有強(qiáng)制性地提到SimpleDateFormat 是線程不安全的類。其實(shí)主要的原因是由于多線程操作SimpleDateFormat中的Calendar對(duì)象引用，然后出現(xiàn)臟讀導(dǎo)致的。

踩坑代碼：

/**
 * @author 公眾號(hào)：程序員老貓
 * @date 2024/2/1 22:58
 */
public class DateFormatTest {
    private static final SimpleDateFormat simpleDateFormat =
            new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public static Date parse(String dateString) {
        Date date = null;
        try {
            date = simpleDateFormat.parse(dateString);
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return date;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            executorService.execute(()->{
                System.out.println(parse("2024-02-01 23:34:30"));
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

上述咱們通過線程池的方式針對(duì)SimpleDateFormat進(jìn)行了測(cè)試。其輸出結(jié)果如下。

我們可以看到剛開始好好的，后面就異常了。

我們通過ThreadLocal的方式將其優(yōu)化一下。代碼如下：

/**
 * @author 公眾號(hào)：程序員老貓
 * @date 2024/2/1 22:58
 */
public class DateFormatTest {

    private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));

    public static Date parse(String dateString) {
        Date date = null;
        try {
            date = dateFormatThreadLocal.get().parse(dateString);
        } catch (ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return date;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            executorService.execute(()->{
                System.out.println(parse("2024-02-01 23:34:30"));
            });
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

運(yùn)行了一下,完全正常了。

Thu Feb 01 23:34:30 CST 2024
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Thu Feb 01 23:34:30 CST 2024
Thu Feb 01 23:34:30 CST 2024

3.TheadLocal使用場(chǎng)景

那么我們什么時(shí)候會(huì)用到ThreadLocal呢？

上面針對(duì)SimpleDateFormat的封裝也算是一個(gè)吧。

• 用來替代參數(shù)鏈傳遞：在編寫API接口時(shí)，可以將需要傳遞的參數(shù)放入ThreadLocal中，從而不需要在每個(gè)調(diào)用的方法上都顯式地傳遞這些參數(shù)。這種方法雖然不如將參數(shù)封裝為對(duì)象傳遞來得常見，但在某些情況下可以簡(jiǎn)化代碼結(jié)構(gòu)。
• 數(shù)據(jù)庫連接和會(huì)話管理：在某些應(yīng)用中，如Web應(yīng)用程序，ThreadLocal可以用來保持對(duì)數(shù)據(jù)庫連接或會(huì)話的管理，以簡(jiǎn)化并發(fā)控制并提高性能。例如，可以使用ThreadLocal來維護(hù)一個(gè)連接池，使得每個(gè)請(qǐng)求都能共享相同的連接，而不是每次都需要重新建立連接。
• 全局存儲(chǔ)信息：例如在前后端分離的應(yīng)用中，ThreadLocal可以用來在服務(wù)端維護(hù)用戶的上下文信息或者一些配置信息，而不需要通過HTTP請(qǐng)求攜帶大量的用戶信息。這樣做可以在不改變?cè)屑軜?gòu)的情況下，提供更好的用戶體驗(yàn)。

如果大家還能想到其他使用的場(chǎng)景也歡迎留言。

四、升華篇

1.ThreadLocal原理

上述其實(shí)咱們聊得相對(duì)而言還是比較淺的。那么接下來，咱們豐富一下之前提到的結(jié)構(gòu)圖，從源代碼側(cè)深度剖一下ThreadLocal吧。

深度結(jié)構(gòu)圖

對(duì)應(yīng)上述圖中，解釋一下。

• 圖中有兩個(gè)線程Thread1以及Thread2。
• Thread類中有一個(gè)叫做threadLocals的成員變量，它是ThreadLocal.ThreadLocalMap類型的。
• ThreadLocalMap內(nèi)部維護(hù)了Entry數(shù)組，每個(gè)Entry代表一個(gè)完整的對(duì)象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型對(duì)象值。

對(duì)應(yīng)的我們看一下Thread的源代碼，如下：

public class Thread implements Runnable {
    ...
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ...
}

在源碼中threadLocals的初始值為Null。

抽絲剝繭，咱們繼續(xù)看一下ThreadLocalMap在調(diào)用構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化的源代碼：

static class ThreadLocalMap {
        
        private static final int INITIAL_CAPACITY = 16; //初始化容量
        private Entry[] table; //ThreadLocalMap數(shù)據(jù)真正存儲(chǔ)在table中
        private int size = 0; //ThreadLocalMap條數(shù)
        private int threshold; // 默認(rèn)為0,達(dá)到這個(gè)大小，則擴(kuò)容
        //類Entry的實(shí)現(xiàn)
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
        //構(gòu)造函數(shù)
        ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
            table = new Entry[INITIAL_CAPACITY]; //初始化table數(shù)組，INITIAL_CAPACITY默認(rèn)值為16
            int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1); //key和16取得哈希值
            table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);//創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，設(shè)置key-value
            size = 1;
            setThreshold(INITIAL_CAPACITY); //設(shè)置擴(kuò)容閾值
        }
    }

在源碼中涉及比較核心的還有set,get以及remove方法。我們依次來看一下：

set方法如下：

public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread(); //獲取當(dāng)前線程t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);  //根據(jù)當(dāng)前線程獲取到ThreadLocalMap
        if (map != null)  //如果獲取的ThreadLocalMap對(duì)象不為空
            map.set(this, value); //K，V設(shè)置到ThreadLocalMap中
        else
            createMap(t, value); //創(chuàng)建一個(gè)新的ThreadLocalMap
    }
    
     ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
       return t.threadLocals; //返回Thread對(duì)象的ThreadLocalMap屬性
    }

    void createMap(Thread t, T firstValue) { //調(diào)用ThreadLocalMap的構(gòu)造函數(shù)
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); //this表示當(dāng)前類ThreadLocal
    }

get方法如下：

public T get() {
        //1、獲取當(dāng)前線程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //2、獲取當(dāng)前線程的ThreadLocalMap
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //3、如果map數(shù)據(jù)不為空，
        if (map != null) {
            //3.1、獲取threalLocalMap中存儲(chǔ)的值
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        //如果是數(shù)據(jù)為null，則初始化，初始化的結(jié)果，TheralLocalMap中存放key值為threadLocal，值為null
        return setInitialValue();
    }
 
 
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;
    }

remove方法：

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

那么為什么需要remove方法呢？其實(shí)這里會(huì)涉及到內(nèi)存泄漏的問題了。后面咱們細(xì)看。

對(duì)照著上述的結(jié)構(gòu)圖以及源碼，如果面試官問ThreadLocal原理的時(shí)候，相信大家應(yīng)該可以說出個(gè)所以然來。

• Thread線程類有一個(gè)類型為ThreadLocal.ThreadLocalMap的變量threadLocals，即每個(gè)線程都有一個(gè)屬于自己的ThreadLocalMap。
• ThreadLocalMap方法內(nèi)部維護(hù)著Entry數(shù)組，其中key是ThreadLocal本身，而value則為其泛型值。
• 并發(fā)場(chǎng)景下，每個(gè)線程都會(huì)存儲(chǔ)當(dāng)前變量副本到自己的ThreadLocalMap中，后續(xù)這個(gè)線程對(duì)于共享變量的操作，都是從TheadLocalMap里進(jìn)行變更，不會(huì)影響全局共享變量的值。

2.高并發(fā)場(chǎng)景下ThreadLocal會(huì)造成內(nèi)存泄漏嗎？什么原因?qū)е拢咳绾伪苊猓?/h4>

(1) 造成內(nèi)存泄漏的原因

這個(gè)問題其實(shí)還是得從ThreadLocal底層源碼的實(shí)現(xiàn)去看。高并發(fā)場(chǎng)景下，如果對(duì)ThreadLocal處理得當(dāng)?shù)脑捚鋵?shí)就不會(huì)造成內(nèi)存泄漏。我們看下面這樣一組源代碼片段：

static class ThreadLocalMap {
        ...
        //類Entry的實(shí)現(xiàn)
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
       ...
    }

上文中其實(shí)我們已經(jīng)知道Entry中以key和value的形式存儲(chǔ)，key是ThreadLocal本身，上面代碼中我們看到entry進(jìn)行key設(shè)置的時(shí)候用的是super(k)。那就意味著調(diào)用的父類的方法去設(shè)置了key，我們?cè)倏匆幌赂割愂鞘裁?，父類其?shí)是WeakReference。關(guān)于WeakReference底層的實(shí)現(xiàn)，大家有興趣可以展開去看看源代碼，老貓?jiān)谶@里直接說結(jié)果。

WeakReference 如字面意思，弱引用，當(dāng)一個(gè)對(duì)象僅僅被weak reference（弱引用）指向, 而沒有任何其他strong reference（強(qiáng)引用）指向的時(shí)候, 如果這時(shí)GC運(yùn)行, 那么這個(gè)對(duì)象就會(huì)被回收，不論當(dāng)前的內(nèi)存空間是否足夠，這個(gè)對(duì)象都會(huì)被回收。

關(guān)于這些引用的強(qiáng)弱，稍微聊一下，這里其實(shí)涉及到j(luò)vm的回收機(jī)制。在JDK1.2之后，java對(duì)引用的概念其實(shí)做了擴(kuò)充的，分為強(qiáng)引用，軟引用，弱引用，虛引用。

• 強(qiáng)引用：其實(shí)就是咱們一般用“=”的賦值行為，如 Student s = new Student(),只要強(qiáng)引用還在，對(duì)象就不會(huì)被回收。
• 軟引用：不是必須存活的對(duì)象，jvm在內(nèi)存不夠的情況下即將內(nèi)存溢出前會(huì)對(duì)其進(jìn)行回收。例如緩存。
• 弱引用：非必須存活的對(duì)象，引用關(guān)系比軟引用還弱，無論內(nèi)存夠還是不夠，下次的GC一定會(huì)被回收。
• 虛引用：別名幽靈引用或者幻影引用。等同于沒有引用，唯一的目的是對(duì)象被回收的時(shí)候會(huì)受到系統(tǒng)通知。

明白這些概念之后，咱們?cè)倏纯瓷厦娴脑创a，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來Key其實(shí)是弱引用，而里面的value因?yàn)槭侵苯淤x值行為所以是強(qiáng)引用。

如下圖：

jvm存儲(chǔ)

圖中我們可以看到由于threadLocal對(duì)象是弱引用，如果外部沒有強(qiáng)引用指向的話，它就會(huì)被GC回收，那么這個(gè)時(shí)候?qū)е翬ntry的key就為NULL，如果此時(shí)value外部也沒有強(qiáng)引用指向的話，那么這個(gè)value就永遠(yuǎn)無法訪問了，按道理也該被回收。但是由于entry還在強(qiáng)引用value（看源代碼）。那么此時(shí)value就無法被回收，此時(shí)內(nèi)存泄漏就出現(xiàn)了。本質(zhì)原因是因?yàn)関alue成為了一個(gè)永遠(yuǎn)無法被訪問也無法被回收的對(duì)象。

那肯定有小伙伴會(huì)有疑問了，線程本身生命周期不是很短么，如果短時(shí)間內(nèi)被銷毀，就不會(huì)內(nèi)存泄漏了，因?yàn)橹灰€程銷毀，那么value也會(huì)被回收。這話是沒錯(cuò)。但是咱們的線程是計(jì)算機(jī)珍貴資源，為了避免重復(fù)創(chuàng)建線程帶來開銷，系統(tǒng)中我們往往會(huì)使用線程池（線程池傳送門）,如果使用線程池的話，那么線程的生命周期就被拉長(zhǎng)了，那么就可想而知了。

(2) 如何避免

解法如下：

• 每次使用完畢之后記得調(diào)用一下remove()方法清除數(shù)據(jù)。
• ThreadLocal變量盡量定義成static final類型，避免頻繁創(chuàng)建ThreadLocal實(shí)例。這樣可以保證程序中一直存在ThreadLocal強(qiáng)引用，也能保證任何時(shí)候都能通過ThreadLocal的弱引用訪問Entry的value值，從而進(jìn)行清除。

不過話說回來，其實(shí)ThreadLocal內(nèi)部也做了優(yōu)化的。在set()的時(shí)候也會(huì)采樣清理，擴(kuò)容的時(shí)候也會(huì)檢查（這里希望大家自己深入看一下源代碼），在get（）的時(shí)候，如果沒有直接命中或者向后環(huán)形查找的時(shí)候也會(huì)進(jìn)行清理。但是為了系統(tǒng)的穩(wěn)健萬無一失，所以大家盡量還是將上面的兩個(gè)注意點(diǎn)在寫代碼的時(shí)候注意下。

總結(jié)

面試的時(shí)候大家總會(huì)去背一些八股文，但是這種也只是臨時(shí)應(yīng)付面試官而已，真正的懂其中的原理才是硬道理。無論咋問，萬變不離核心原理。當(dāng)然這些核心原理在我們的日常編碼中也會(huì)給我們帶來很大的幫助，用法很簡(jiǎn)單，翻車了如何處理，那還不是得知其所以然么，伙伴們，你們覺得呢？