ThreadLocal的作用以及应用场景

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ThreadLocal的作用以及应用场景

ThreadLocal算是一种并发容器吧，因为他的内部是有ThreadLocalMap组成，ThreadLocal是为了解决多线程情况下变量不能被共享的问题，也就是多线程共享变量的问题。

ThreadLocal和Lock以及Synchronized的区别是：ThreadLocal是给每个线程分配一个变量（对象），各个线程都存有变量的副本，这样每个线程都是使用自己（变量）对象实例，使线程与线程之间进行隔离；而Lock和Synchronized的方式是使线程有顺序的执行。

举一个简单的例子：目前有100个学生等待签字，但是老师只有一个笔，那老师只能按顺序的分给每个学生，等待A学生签字完成然后将笔交给B学生，这就类似Lock，Synchronized的方式。而ThreadLocal是，老师直接拿出一百个笔给每个学生；再效率提高的同事也要付出一个内存消耗；也就是以空间换时间的概念

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使用场景

Spring的事务隔离就是使用ThreadLocal和AOP来解决的；主要是TransactionSynchronizationManager这个类；

解决SimpleDateFormat线程不安全问题；

当我们使用SimpleDateFormat的parse()方法的时候，parse()方法会先调用Calendar.clear()方法，然后调用Calendar.add()方法，如果一个线程先调用了add()方法，然后另一个线程调用了clear()方法；这时候parse()方法就会出现解析错误；如果不信我们可以来个例子：

publicclassSimpleDateFormatTest{

privatestaticSimpleDateFormatsimpleDateFormat=newSimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");

publicstaticvoidmain(String[]args){
for(inti=0;i< 50;i++){
Threadthread=newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
dateFormat();
}
});
thread.start();
}
}

/**
*字符串转成日期类型
*/
publicstaticvoiddateFormat(){
try{
simpleDateFormat.parse("2021-5-27");
}catch(ParseExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
}

这里我们只启动了50个线程问题就会出现，其实看巧不巧，有时候只有10个线程的情况就会出错：

Exceptioninthread"Thread-40"java.lang.NumberFormatException:Forinputstring:""
atjava.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
atjava.lang.Long.parseLong(Long.java:601)
atjava.lang.Long.parseLong(Long.java:631)
atjava.text.DigitList.getLong(DigitList.java:195)
atjava.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2084)
atjava.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1869)
atjava.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
atjava.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
atcn.haoxy.use.lock.sdf.SimpleDateFormatTest.dateFormat(SimpleDateFormatTest.java:36)
atcn.haoxy.use.lock.sdf.SimpleDateFormatTest$1.run(SimpleDateFormatTest.java:23)
atjava.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Exceptioninthread"Thread-43"java.lang.NumberFormatException:multiplepoints
atsun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:1890)
atsun.misc.FloatingDecimal.parseDouble(FloatingDecimal.java:110)
atjava.lang.Double.parseDouble(Double.java:538)
atjava.text.DigitList.getDouble(DigitList.java:169)
atjava.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2089)
atjava.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1869)
atjava.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
atjava.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
at.............

其实解决这个问题很简单，让每个线程new一个自己的SimpleDateFormat，但是如果100个线程都要new100个SimpleDateFormat吗？

当然我们不能这么做，我们可以借助线程池加上ThreadLocal来解决这个问题：

publicclassSimpleDateFormatTest{

privatestaticThreadLocallocal=newThreadLocal(){
@Override
//初始化线程本地变量
protectedSimpleDateFormatinitialValue(){
returnnewSimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
}
};

publicstaticvoidmain(String[]args){
ExecutorServicees=Executors.newCachedThreadPool();
for(inti=0;i< 500;i++){
es.execute(()->{
//调用字符串转成日期方法
dateFormat();
});
}
es.shutdown();
}
/**
*字符串转成日期类型
*/
publicstaticvoiddateFormat(){
try{
//ThreadLocal中的get()方法
local.get().parse("2021-5-27");
}catch(ParseExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
}

这样就优雅的解决了线程安全问题；

解决过度传参问题；例如一个方法中要调用好多个方法，每个方法都需要传递参数；例如下面示例：

voidwork(Useruser){
getInfo(user);
checkInfo(user);
setSomeThing(user);
log(user);
}

用了ThreadLocal之后：

publicclassThreadLocalStu{

privatestaticThreadLocaluserThreadLocal=newThreadLocal<>();

voidwork(Useruser){
try{
userThreadLocal.set(user);
getInfo();
checkInfo();
someThing();
}finally{
userThreadLocal.remove();
}
}

voidsetInfo(){
Useru=userThreadLocal.get();
//.....
}

voidcheckInfo(){
Useru=userThreadLocal.get();
//....
}

voidsomeThing(){
Useru=userThreadLocal.get();
//....
}
}

每个线程内需要保存全局变量（比如在登录成功后将用户信息存到ThreadLocal里，然后当前线程操作的业务逻辑直接get取就完事了，有效的避免的参数来回传递的麻烦之处），一定层级上减少代码耦合度。

• 比如存储 交易id等信息。每个线程私有。
• 比如aop里记录日志需要before记录请求id，end拿出请求id，这也可以。
• 比如jdbc连接池（很典型的一个ThreadLocal用法）
• ....等等....

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原理分析

上面我们基本上知道了ThreadLocal的使用方式以及应用场景，当然应用场景不止这些这只是工作中常用到的场景；下面我们对它的原理进行分析;

我们先看一下它的set()方法;

publicvoidset(Tvalue){
Threadt=Thread.currentThread();
ThreadLocalMapmap=getMap(t);
if(map!=null)
map.set(this,value);
else
createMap(t,value);
}

是不是特别简单，首先获取当前线程，用当前线程作为key,去获取ThreadLocalMap,然后判断map是否为空，不为空就将当前线程作为key,传入的value作为map的value值；如果为空就创建一个ThreadLocalMap,然后将key和value方进去；从这里可以看出value值是存放到ThreadLocalMap中；

然后我们看看ThreadLocalMap是怎么来的？先看下getMap()方法：

//在Thread类中维护了threadLocals变量，注意是Thread类
ThreadLocal.ThreadLocalMapthreadLocals=null;

//在ThreadLocal类中的getMap()方法
ThreadLocalMapgetMap(Threadt){
returnt.threadLocals;
}

这就能解释每个线程中都有一个ThreadLocalMap，因为ThreadLocalMap的引用在Thread中维护；这就确保了线程间的隔离；

我们继续回到set()方法，看到当map等于空的时候createMap(t, value);

voidcreateMap(Threadt,TfirstValue){
t.threadLocals=newThreadLocalMap(this,firstValue);
}

这里就是new了一个ThreadLocalMap然后赋值给threadLocals成员变量；ThreadLocalMap构造方法：

ThreadLocalMap(ThreadLocalfirstKey,ObjectfirstValue){
//初始化一个Entry
table=newEntry[INITIAL_CAPACITY];
//计算key应该存放的位置
inti=firstKey.threadLocalHashCode&(INITIAL_CAPACITY-1);
//将Entry放到指定位置
table[i]=newEntry(firstKey,firstValue);
size=1;
//设置数组的大小16*2/3=10,类似HashMap中的0.75*16=12
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

这里写有个大概的印象，后面对ThreadLocalMap内部结构还会进行详细的讲解；

下面我们再去看一下get()方法：

publicTget(){
Threadt=Thread.currentThread();
//用当前线程作为key去获取ThreadLocalMap
ThreadLocalMapmap=getMap(t);
if(map!=null){
//map不为空，然后获取map中的Entry
ThreadLocalMap.Entrye=map.getEntry(this);
if(e!=null){
@SuppressWarnings("unchecked")
//如果Entry不为空就获取对应的value值
Tresult=(T)e.value;
returnresult;
}
}
//如果map为空或者entry为空的话通过该方法初始化，并返回该方法的value
returnsetInitialValue();
}

get()方法和set()都比较容易理解，如果map等于空的时候或者entry等于空的时候我们看看setInitialValue()方法做了什么事：

privateTsetInitialValue(){
//初始化变量值由子类去实现并初始化变量
Tvalue=initialValue();
Threadt=Thread.currentThread();
//这里再次getMap();
ThreadLocalMapmap=getMap(t);
if(map!=null)
map.set(this,value);
else
//和set()方法中的
createMap(t,value);
returnvalue;
}

下面我们再去看一下ThreadLocal中的initialValue()方法：

protectedTinitialValue(){
returnnull;
}

设置初始值，由子类去实现；就例如我们上面的例子，重写ThreadLocal类中的initialValue()方法：

privatestaticThreadLocallocal=newThreadLocal(){
@Override
//初始化线程本地变量
protectedSimpleDateFormatinitialValue(){
returnnewSimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
}
};

createMap()方法和上面set()方法中createMap()方法同一个，就不过多的叙述了；剩下还有一个removve()方法

publicvoidremove(){
ThreadLocalMapm=getMap(Thread.currentThread());
if(m!=null)
//2.从map中删除以当前threadLocal实例为key的键值对
m.remove(this);
}

源码的讲解就到这里，也都比较好理解，下面我们看看ThreadLocalMap的底层结构

ThreadLocalMap的底层结构

上面我们已经了解了ThreadLocal的使用场景以及它比较重要的几个方法；下面我们再去它的内部结构；经过上的源码分析我们可以看到数据其实都是存放到了ThreadLocal中的内部类ThreadLocalMap中；而ThreadLocalMap中又维护了一个Entry对象，也就说数据最终是存放到Entry对象中的；

staticclassThreadLocalMap{

staticclassEntryextendsWeakReference<ThreadLocal>{
/**ThevalueassociatedwiththisThreadLocal.*/
Objectvalue;

Entry(ThreadLocalk,Objectv){
super(k);
value=v;
}

}
ThreadLocalMap(ThreadLocalfirstKey,ObjectfirstValue){
table=newEntry[INITIAL_CAPACITY];
inti=firstKey.threadLocalHashCode&(INITIAL_CAPACITY-1);
table[i]=newEntry(firstKey,firstValue);
size=1;
setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}
//....................
}

Entry的构造方法是以当前线程为key,变量值Object为value进行存储的；在上面的源码中ThreadLocalMap的构造方法中也涉及到了Entry；看到Entry是一个数组；初始化长度为INITIAL_CAPACITY = 16；因为 Entry 继承了 WeakReference，在 Entry 的构造方法中，调用了 super(k)方法就会将 threadLocal 实例包装成一个 WeakReferenece。这也是ThreadLocal会产生内存泄露的原因；

内存泄露产生的原因

如图所示存在一条引用链： Thread Ref->Thread->ThreadLocalMap->Entry->Key:Value，经过上面的讲解我们知道ThreadLocal作为Key,但是被设置成了弱引用，弱引用在JVM垃圾回收时是优先回收的，就是说无论内存是否足够弱引用对象都会被回收；弱引用的生命周期比较短；当发生一次GC的时候就会变成如下：

TreadLocalMap中出现了Key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value,如果线程迟迟不结束（也就是说这条引用链无意义的一直存在）就会造成value永远无法回收造成内存泄露；如果当前线程运行结束Thread，ThreadLocalMap,Entry之间没有了引用链，在垃圾回收的时候就会被回收；但是在开发中我们都是使用线程池的方式，线程池的复用不会主动结束；所以还是会存在内存泄露问题；

解决方法也很简单，就是在使用完之后主动调用remove()方法释放掉；

解决Hash冲突

记得在大学学习数据结构的时候学习了很多种解决hash冲突的方法;例如：

线性探测法（开放地址法的一种）： 计算出的散列地址如果已被占用，则按顺序找下一个空位。如果找到末尾还没有找到空位置就从头重新开始找；

二次探测法（开放地址法的一种）

链地址法：链地址是对每一个同义词都建一个单链表来解决冲突，HashMap采用的是这种方法；

多重Hash法： 在key冲突的情况下多重hash,直到不冲突为止，这种方式不易产生堆积但是计算量太大；

公共溢出区法： 这种方式需要两个表，一个存基础数据，另一个存放冲突数据称为溢出表；

上面的图片都是在网上找到的一些资料，和大学时学习时的差不多我就直接拿来用了；也当自己复习了一遍；

介绍了那么多解决Hash冲突的方法，那ThreadLocalMap使用的哪一种方法呢？我们可以看一下源码：

privatevoidset(ThreadLocalkey,Objectvalue){
Entry[]tab=table;
intlen=tab.length;
//根据HashCode&数组长度计算出数组该存放的位置
inti=key.threadLocalHashCode&(len-1);
//遍历Entry数组中的元素
for(Entrye=tab[i];
e!=null;
e=tab[i=nextIndex(i,len)]){
ThreadLocalk=e.get();
//如果这个Entry对象的key正好是即将设置的key，那么就刷新Entry中的value；
if(k==key){
e.value=value;
return;
}
//entry!=null,key==null时，说明threadLcoal这key已经被GC了，这里就是上面说到
//会有内存泄露的地方，当然作者也知道这种情况的存在，所以这里做了一个判断进行解决脏的
//entry（数组中不想存有过时的entry），但是也不能解决泄露问题，因为旧value还存在没有消失
if(k==null){
//用当前插入的值代替掉这个key为null的“脏”entry
replaceStaleEntry(key,value,i);
return;
}
}
//新建entry并插入table中i处
tab[i]=newEntry(key,value);
intsz=++size;
if(!cleanSomeSlots(i,sz)&&sz>=threshold)
rehash();
}

从这里我们可以看出使用的是线性探测的方式来解决hash冲突！

源码中通过nextIndex(i, len)方法解决 hash 冲突的问题，该方法为((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);，也就是不断往后线性探测，直到找到一个空的位置，当到哈希表末尾的时候还没有找到空位置再从 0 开始找，成环形！

使用ThreadLocal时对象存在哪里？

在java中，栈内存归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可以理解成线程的私有变量，而堆内存中的变量对所有线程可见，可以被所有线程访问！

那么ThreadLocal的实例以及它的值是不是存放在栈上呢？其实不是的，因为ThreadLocal的实例实际上也是被其创建的类持有，（更顶端应该是被线程持有），而ThreadLocal的值其实也是被线程实例持有，它们都是位于堆上，只是通过一些技巧将可见性修改成了线程可见。

审核编辑 ：李倩