源码系列之 ThreadLocal

简介

ThreadLocal的作用是做数据隔离，存储的变量只属于当前线程，相当于当前线程的局部变量，多线程环境下，不会被别的线程访问与修改。常用于存储线程私有成员变量、上下文，和用于同一线程，不同层级方法间传参等。JDK 1.8 中的 ThreadLocal 共741行代码，其中包含3个成员变量，13个成员方法和两个内部类。 我们先来看下核心原理，再来详细看下源码。

问题

我们可以带着问题去学习这部分内容，希望学习完后，能回答这些问题：

ThreadLocal能不能代替Synchronized？和Synchronized的区别是什么？
Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap的关系是怎么样的？
存储在jvm的堆还是栈中？
ThreadLocal会导致内存泄漏吗，为什么？
ThreadLocalMap为什么用Entry数组而不是Entry对象？
ThreadLocal里的对象一定是线程安全的吗？
ThreadLocalMap只用单纯的数组存值吗？如果出现哈希冲突怎么存值？

核心原理

这个要从java.lang.Thread类说起，每个Thread对象中都拥有一个ThreadLocalMap（ThreadLocal的内部类）的成员变量。ThreadLocalMap内部又拥有一个Entry数组，每个Entry是一个键值对，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。（这里Thread类虽然有ThreadLocalMap成员变量，但没有get()，set()，remove()等增删改查的方法，其实就是通过ThreadLocal来操作的。）
例如我们每一次请求，就是一个线程，然后一个线程里就有且只有一个ThreadLocalMap，然后我们的业务里可能new了好几个ThreadLocal对象，存了几个ThreadLocal的值，这些就存在Entry数组中，然后，我们根据当前线程和当前ThreadLocal就能找到唯一的<T>value值。再简单点讲：每个线程里都有一个成员变量，本质是一个数组，里面存的就是你想线程私有化的几个对象。
结构图如下：
在这里插入图片描述
核心源码如下：

// java.lang.Thread类里持有ThreadLocalMap的引用
public class Thread implements Runnable {
	... ...
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
    ... ...
}

// java.lang.ThreadLocal有内部静态类ThreadLocalMap，主要提供给Thread类使用
public class ThreadLocal<T> {
	
	... ...
	
    static class ThreadLocalMap {
    	// 存线程私有变量
        private Entry[] table;
        
        // ThreadLocalMap内部有Entry类，Entry的key是ThreadLocal本身，value是泛型值
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;
            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }
    }

	... ...
}

ThreadLocal的成员变量

这里介绍一下ThreadLocal的成员变量。

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode()
自定义的哈希值，主要是调用nextHashCode()方法获取。
private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger()
下一个要给出的哈希码。自动更新。从0开始。
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
连续生成的哈希码之间的差异，此为一个魔数。

ThreadLocal的成员方法

这里介绍一下ThreadLocal的成员方法。

public ThreadLocal()
构造器。

	public ThreadLocal() {
    }

private static int nextHashCode()
返回下一个哈希码。

	private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }

protected T initialValue()
用以初始化值，这个方法将在线程第一次使用get方法访问变量时被调用，如果调用get()前使用了set()设置值，则不会被调用，这里只是简单的初始化成了null，如果需要初始化成其它值，则必须将ThreadLocal子类化，并重写此方法。

// 由子类提供实现。
// protected
protected T initialValue() {
   return null;
}

public static <S> ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supplier)
可根据提供的函数，生成初始值。

public static <S> ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supplier) {
        return new SuppliedThreadLocal<>(supplier);
    }

public T get()
返回该当前线程对应的线程局部变量值。

public T get() {
    // 获取当前线程，这里的currentThread()是个native方法
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap对象
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 若获取到了。则获取此ThreadLocalMap下的entry对象，若entry也获取到了，那么直接获取entry对应的value返回即可
    if (map != null) {
        // 获取此ThreadLocalMap下的entry对象，把当前ThreadLocal当参数传进去
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        // 若entry也获取到了
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            // 直接获取entry对应的value返回
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // 若没获取到ThreadLocalMap或没获取到Entry，则设置初始值
    //  初始值方法是延迟加载
    return setInitialValue();
}

boolean isPresent()
如果当前线程中ThreadLocalMap不为空，且该局部变量也不为空，则返回true，否则返回false。

	boolean isPresent() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        return map != null && map.getEntry(this) != null;
    }

private T setInitialValue()
设置初始值，调用initialValue。

// 设置初始值
private T setInitialValue() {
    // 调用初始值方法，由子类提供。
    T value = initialValue();
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取map
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 获取到了
    if (map != null)
        // set
        map.set(this, value);
    else
        // 没获取到。创建map并赋值
        createMap(t, value);
    // 返回初始值。
    return value;
}

public void set(T value)
设置当前线程的线程局部变量的值。

public void set(T value) {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程对应的ThreadLocalMap实例
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 若当前线程有对应的ThreadLocalMap实例，则将当前ThreadLocal对象作为key，value做为值存到ThreadLocalMap的entry里。
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        // 若当前线程没有对应的ThreadLocalMap实例，则创建ThreadLocalMap，并将此线程与之绑定
        createMap(t, value);
}

public void remove()
删除当前线程局部变量的值，目的是为了减少内存占用，和防止内存泄漏。

public void remove() {
    // 获取当前线程的ThreadLocalMap对象，并将其移除。
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t)
获取ThreadLocalMap，在你调用ThreadLocal.get()方法的时候就会调用这个方法，它的返回是当前线程里的threadLocals的引用。

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

void createMap(Thread t, T firstValue)
创建ThreadLocalMap，ThreadLocal底层其实就是一个map来维护的。

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

// ThreadLocalMap构造器。
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    // new了一个ThreadLocalMap的内部类Entry，且将key和value传入。
    // key是ThreadLocal对象。
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    size = 1;
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap)
用工厂方法创建继承的线程局部变量的映射。

	static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
        return new ThreadLocalMap(parentMap);
    }

T childValue(T parentValue)
childValue()是用来在ThreadLocal子类中定义实现的，在这里定义，主要是提供给createInheritedMap工厂方法调用。

T childValue(T parentValue) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

ThreadLocal的内部类

这里介绍一下ThreadLocal的内部类。

static final class SuppliedThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {}
ThreadLocal的扩展，从指定的提供者获取初始值。

static final class SuppliedThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {

        private final Supplier<? extends T> supplier;
        
        SuppliedThreadLocal(Supplier<? extends T> supplier) {
            this.supplier = Objects.requireNonNull(supplier);
        }

        @Override
        protected T initialValue() {
            return supplier.get();
        }
    }

static class ThreadLocalMap {}
ThreadLocalMap是一个定制的散列映射，只适合维护线程本地值。ThreadLocalMap用类似HashMap的方式，存储ThreadLocal和他对应泛型的值，只不过这里只单纯的用了数组没有用到链表。没有用链表，怎么解决哈希冲突问题呢？其实很简单，依次向下一个索引查找，把值存在下一个为null的位置。

	static class ThreadLocalMap {

        /**
         * ThreadLocalMap 里数组里具体存的值
         */
        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /**
            * 与当前ThreadLocal 对应的值
            */
            Object value;

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

        /**
         * 初始容量必须是2的幂次数，当前默认为16
         */
        private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

        /**
         * ThreadLocalMap 里的Entry[] 数组，长度必须为2的幂次数
         */
        private Entry[] table;

        /**
         * 当前 Entry[] table 的长度
         */
        private int size = 0;

        /**
         * 阈值，超过后需扩容
         */
        private int threshold; // Default to 0

        /**
         * 设置阈值为长度的 三分之二
         */
        private void setThreshold(int len) {
            threshold = len * 2 / 3;
        }

        /**
         * I对len取模
         */
        private static int nextIndex(int i, int len) {
            return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
        }

        /**
         * 获取前一个索引值
         */
        private static int prevIndex(int i, int len) {
            return ((i - 1 >= 0) ? i - 1 : len - 1);
        }

        /**
         * 构造方法，懒加载的
         */
        ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
        	// 根据初始容量，初始化表
            table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
            // 获取当前哈希值后，对len进行取模，确定索引位置
            int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
            table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
            // 初始化长度，和阈值
            size = 1;
            setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
        }

        /**
         * 从给定父映射创建新映射         
         * */
        private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
        	// 初始化参数
            Entry[] parentTable = parentMap.table;
            int len = parentTable.length;
            setThreshold(len);
            table = new Entry[len];

            for (Entry e : parentTable) {
                if (e != null) {
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
                    if (key != null) {
                        Object value = key.childValue(e.value);
                        Entry c = new Entry(key, value);
                        int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
                        while (table[h] != null)
                            h = nextIndex(h, len);
                        table[h] = c;
                        size++;
                    }
                }
            }
        }

        /**
         * 查找与key相关联的条目
         */
        private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
        	// 确定索引值
            int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
            Entry e = table[i];
            if (e != null && e.get() == key)
                return e;
            else
                return getEntryAfterMiss(key, i, e);
        }

        /**
         * 根据key值找不到Entry时，用以下方法找，当前i值找不到，就到i+1处找
         */
        private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;

            while (e != null) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                if (k == key)
                    return e;
                if (k == null)
                    expungeStaleEntry(i);
                else
                	// 当前索引 i 处找不到，就到索引 i + 1 处查找，这也是ThreadLocalMap解决哈希冲突的方法，即，当前有值，则顺位往下一个索引存
                    i = nextIndex(i, len);
                e = tab[i];
            }
            return null;
        }

        /**
         * 根据ThreadLocal，存对应value值
         */
        private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            // 用key的哈希值，对len取模，以计算存储的索引位置
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

			// 这几行代码就很有意思了，前面说ThreadLocalMap是没有链表的，那么怎么解决哈希冲突问题呢
			// 就是，依次往下一位索引存，直到有空位为止
            for (Entry e = tab[i]; e != null; e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();

				// 如果key相等，则更新值
                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();
        }

        /**
         * 删除指定key的节点
         */
        private void remove(ThreadLocal<?> key) {
            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)]) {
                if (e.get() == key) {
                    e.clear();
                    expungeStaleEntry(i);
                    return;
                }
            }
        }

        /**
         * 替换已经不再被使用的旧值，（key为null的值       
         */
        private void replaceStaleEntry(ThreadLocal<?> key, Object value,
                                       int staleSlot) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            Entry e;

            int slotToExpunge = staleSlot;
            for (int i = prevIndex(staleSlot, len);
                 (e = tab[i]) != null;
                 i = prevIndex(i, len))
                if (e.get() == null)
                    slotToExpunge = i;

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


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

                    tab[i] = tab[staleSlot];
                    tab[staleSlot] = e;

                    if (slotToExpunge == staleSlot)
                        slotToExpunge = i;
                    cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
                    return;
                }

                if (k == null && slotToExpunge == staleSlot)
                    slotToExpunge = i;
            }

            tab[staleSlot].value = null;
            tab[staleSlot] = new Entry(key, value);

            if (slotToExpunge != staleSlot)
                cleanSomeSlots(expungeStaleEntry(slotToExpunge), len);
        }

        /**
         * staleSlot和下个空槽之间的所有空槽都将被检查和清除
         */
        private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;

			// 清楚当前槽
            tab[staleSlot].value = null;
            tab[staleSlot] = null;
            size--;

            Entry e;
            int i;
            for (i = nextIndex(staleSlot, len);
                 (e = tab[i]) != null;
                 i = nextIndex(i, len)) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                // 如果发现key为空，则清除value值
                if (k == null) {
                    e.value = null;
                    tab[i] = null;
                    size--;
                } else {
                    int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
                    if (h != i) {
                        tab[i] = null;

                        while (tab[h] != null)
                            h = nextIndex(h, len);
                        tab[h] = e;
                    }
                }
            }
            return i;
        }

        /**
         * 启发式地扫描一些单位，寻找陈旧的条目
         */
        private boolean cleanSomeSlots(int i, int n) {
            boolean removed = false;
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            do {
                i = nextIndex(i, len);
                Entry e = tab[i];
                if (e != null && e.get() == null) {
                    n = len;
                    removed = true;
                    i = expungeStaleEntry(i);
                }
            } while ( (n >>>= 1) != 0);
            return removed;
        }

        /**
         * 清除旧条目后，长度依然3/4threshold，则扩容
         */
        private void rehash() {
            expungeStaleEntries();

            if (size >= threshold - threshold / 4)
                resize();
        }

        /**
         * 将原来的容量，扩大为两倍
         */
        private void resize() {
            Entry[] oldTab = table;
            int oldLen = oldTab.length;
            int newLen = oldLen * 2;
            Entry[] newTab = new Entry[newLen];
            int count = 0;

            for (Entry e : oldTab) {
                if (e != null) {
                    ThreadLocal<?> k = e.get();
                    // 清除旧表无用值
                    if (k == null) {
                        e.value = null; // Help the GC
                    } else {
                    	// 找到合适位置并存储
                        int h = k.threadLocalHashCode & (newLen - 1);
                        while (newTab[h] != null)
                            h = nextIndex(h, newLen);
                        newTab[h] = e;
                        count++;
                    }
                }
            }
			
			// 更新成员变量
            setThreshold(newLen);
            size = count;
            table = newTab;
        }

        /**
         * 删除表中所有陈旧的条目
         */
        private void expungeStaleEntries() {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            for (int j = 0; j < len; j++) {
                Entry e = tab[j];
                if (e != null && e.get() == null)
                    expungeStaleEntry(j);
            }
        }
    }

问题解答

相信看了上面的源码，文章开头的部分问题，你已经有了自己的答案，接下来我们再对一下答案。
1. ThreadLocal能不能代替Synchronized？和Synchronized的区别是什么？
答：ThreadLocal肯定不能代替Synchronized，ThreadLocal只是让变量变成了完全私有化，别的线程是无法访问的。而Synchronized除了解决线程冲突外，更重要的是，可以使变量被所有线程访问和修改。
2.Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap的关系是怎么样的？
答：关系有点绕，Thread类中包括ThreadLocalMap成员变量，ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，ThreadLocalMap有Entry数组，Entry实体是键值对，其中key即是ThreadLocal类型。
3 存储在jvm的堆还是栈中？
答：很会人会觉得变量变成线程私有了，就一定是存在虚拟机栈中的，其实不是，我们私有变量是存在Thread对象里的，而对象都是存在堆里的，所以ThreadLocal的实例和他的值都是存在堆上的。

4. ThreadLocal会导致内存泄漏吗，为什么？
答：这个要从两方面分析，即ThreadLocalMap.Entry的key和value值分别讲：key直接是交给了父类处理super(key)，父类是个弱引用，所以key完全不存在内存泄漏问题，value是个强引用，如果线程终止了，也会被GC干掉，但有时线程是不会被终止的，比如线程池里的核心线程，此时引用链就变成了：Thread->ThreadLocalMap->Entry(key为null)->value，由于value和Thread还存在链路关系，还是可达的，所以不会被回收，这样越来越多的垃圾对象产生却无法回收，最终可能导致OOM，当然解决办法也简单，用完私有变量后使用remove()方法即可，它会删除所有value值。

5. 为什么用Entry数组而不是Entry对象？
答：在同一个线程里，我们可能需要多个线程私有变量，所以需要数组。

6. ThreadLocal里的对象一定是线程安全的吗？
答：不一定，因为ThreadLocal.set()进去的对象，可能本身可能就是可供多个线程访问的，比如static对象，这样是没办法保存线程安全的。

7. ThreadLocalMap只用单纯的数组存值吗？如果出现哈希冲突怎么存值？
答：ThreadLocalMap是只用数组存Entry值，如果 i 位置出现哈希冲突，则存在 i + 1处，如果 i + 1 也不为空，则依次往下顺延，直到找到空位为止。

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