彻底搞懂ThreadLocal底层实现原理

当访问共享的可变数据时，通常需要使用同步。一种避免同步的方式就是不共享数据，仅在单线程内部访问数据，就不需要同步。该技术称之为线程封闭。
当数据封装到线程内部，即使该数据不是线程安全的，也会实现自动线程安全性。

维持线程封闭性可以通过Ad-hoc线程封闭、栈封闭来实现，一种更加规范的方法是使用ThreadLocal类。ThreadLocal类提供线程局部变量，通过get、set等方法访问变量，为每个使用该变量的线程创建一个独立的副本。

一、ThreadLocal使用案例

案例中只开启了一个线程threadA，展示了在线程内部设置、获取、清除局部变量。

public class ThreadLocalTest {
    // 初始化ThreadLocal变量
    static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>();

    static void print(String str) {
        // 打印当前线程本地内存中的变量值
        System.out.println(str + ": " + localVariable.get());
        // 清除当前线程本地内存中的变量
        localVariable.remove();
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程A
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 设置线程A中的本地变量的值
                localVariable.set("threadA localVariable");
                print("threadA");
                // 获取线程A中的本地变量的值
                System.out.println("threadA remove after: " + localVariable.get());
            }
        });
        // 启动线程
        threadA.start();
    }
}

运行结果：
threadA: threadA localVariable
threadA remove after: null

案例二：线程唯一标识符生成器，为每个调用ThreadId.get()方法的线程创建id。

public class ThreadId {
    // 下一个要被分配的线程id
    private static final AtomicInteger nextId = new AtomicInteger(0);

    // 线程局部变量
    private static final ThreadLocal<Integer> threadId = new ThreadLocal<Integer>() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return nextId.getAndIncrement();
        }
    };

    // 返回当前线程唯一的id
    public static int get() {
        return threadId.get();
    }
}

二、ThreadLocal类的实现原理

在Thread类中有一个threadLocals成员变量，其类型是ThreadLocalMap，默认情况下为null。

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

当某线程首次调用ThreadLocal变量的get或set方法时，会进行对象创建。在线程退出时，当前线程的threadLocals变量被清空。

private void exit() {
    ...
    threadLocals = null;
    inheritableThreadLocals = null;
    ...
}

每个线程的局部变量不是存放于ThreadLocal实例中，而是存放于线程的threadLocals变量，即线程内存空间中。threadLocals变量本质上是Map数据结构，可以存放多个ThreadLocal变量键值对。

【助解】ThreadLocal类可以看出一个外壳，线程中调用某ThreadLocal变量的set方法可以将变量值放入到该线程的threadLocals变量中，数据格式是<当前线程中该ThreadLocal变量的this引用，变量值>。当调用线程调用ThreadLocal变量的get方法时，从当前线程的threadLocals变量中取出key（引用）对应的value值。

2.1 核心方法set()

将ThreadLocal变量的当前线程副本的值设置为指定value值。

public void set(T value) {
    // 获取调用方法的当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程自身的threadLocals变量
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) 
        // map不为空，则设置
        map.set(this, value);
    else 
        // map为空，说明第一次调用，初始化线程的threadLocals变量
        createMap(t, value);
}

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

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

线程的threadLocals变量，即ThreadLocal.ThreadLocalMap，是HashMap结构，它的key是当前ThreadLocal的实例对象引用，value值是该ThreadLocal实例对象调用set方法设置的值。

2.2 核心方法get()

返回ThreadLocal变量在当前线程副本中的值。如果当前线程中没有该变量的值，返回值会被首次初始化为initialValue()方法的值。

public T get() {
    // 获取当前线程以及其threadLocals变量
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    // 如果threadLocals变量不为空
    if (map != null) {
        // 根据当前ThreadLocal对象应用获取Entry，存在则直接返回value值
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    // threadLocals为空，初始化当前线程threadLocals变量
    return setInitialValue();
}

// threadLocals存在，设置初始值；不存在，初始化threadLocals变量
private T setInitialValue() {
    // 返回当前ThreadLocal变量的当前线程初始值
    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;
}

2.3 核心方法remove()

当前线程threadLocals变量存在的话，删除当前线程的ThreadLocal实例对象。

public void remove() {
    ThreadLocal.ThreadLocalMap var1 = this.getMap(Thread.currentThread());
    if (var1 != null) {
        var1.remove(this);
    }
}

三、ThreadLocal.ThreadLocalMap结构分析

ThreadLocalMap内部类实现细节，由于内容较多独立成了一篇博客。ThreadLocal.ThreadLocalMap实现细节

四、ThreadLocal内存泄漏问题

每个线程的ThreadLocal变量都存放在该线程的threadLocals变量中，如果当前线程一直不退出，这些ThreadLocal变量会一直存在，因此可能会导致内存泄漏。通过调用ThreadLocal类的remove方法避免这一问题。

ThreadLocalMap中采用ThreadLocal弱引用作为Entry的key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，下一次系统GC时，这个ThreadLocal必然会被回收，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry。

ThreadLocal类的set、get、remove方法都可能触发对key为null的Entry清理操作。expungeStaleEntry方法会清空Entry及其value，Entry会在下次GC被回收。

如果当前线程一直在运行，并且一直不执行get、set、remove方法，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreadLocalMap -> Entry -> value，导致这些key为null的Entry的value永远无法回收，造成内存泄漏。

参考资料

1. 《Java并发编程实战》
2. 《Java并发编程之美》