[Java知识库]ThreadLocal篇

关于threadlocal

threadlocal的实现

ThreadLocal对象可以提供线程局部变量，每个线程Thread拥有一份自己的副本变量，多个线程互不干扰。

threadlocal的内部结构

以前的设计

每个ThreadLocal都创建一个Map，然后用线程作为Map的key，要存储的局部变量作为Map的value，这样就能达到各个线程的局部变量隔离的效果。这是最简单的设计方法

jdk8 开始

每个Thread维护一个ThreadLocalMap，这个Map的key是ThreadLocal实例本身，value才是真正要存储的值Object。

1. Thread类有一个类型为ThreadLocal.ThreadLocalMap的实例变量threadLocals，也就是说每个线程有一个自己的ThreadLocalMap。
2. ThreadLocalMap有自己的独立实现，可以简单地将它的key视作ThreadLocal（它的一个弱引用），value为代码中放入的值。
3. 每个线程在往ThreadLocal里放值的时候，都会往自己的ThreadLocalMap里存，读也是以ThreadLocal作为引用，在自己的map里找对应的key，从而实现了线程隔离。
4. 无论是 get()、set()在某些时候，调用了 expungeStaleEntry 方法用来清除 Entry 中 Key 为 null 的 Value，但是这是不及时的，也不是每次都会执行的，所以一些情况下还是会发生内存泄露。只有 remove() 方法中显式调用了 expungeStaleEntry 方法。

jdk8 优化后的好处

1. 每个Map存储的Entry数量就会变少，也减少了hash冲突。因为之前的存储数量由Thread的数量决定，现在是由ThreadLocal的数量决定。在实际运用当中，往往ThreadLocal的数量要少于Thread的数量。
2. 当Thread销毁之后，对应的ThreadLocalMap也会随之销毁，能减少内存的使用。

synchronized 与 threadlocal 的区别？

ThreadLocal.set()

1. 首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map
2. 如果获取的Map不为空，则将参数设置到Map中（当前ThreadLocal的引用作为key）
3. 如果Map为空，则给该线程创建 Map，并设置初始值

ThreadLocal.get() 的简单理解

1. 首先获取当前线程, 根据当前线程获取一个Map
2. 如果获取的Map不为空，则在Map中以ThreadLocal的引用作为key来在Map中获取对应的Entry e，否则转到4
3. 如果e不为null，则返回e.value，否则转到4
4. Map为空或者e为空，则通过initialValue函数获取初始值value，然后用ThreadLocal的引用和value作为firstKey和firstValue创建一个新的Map

总结: 先获取当前线程的 ThreadLocalMap 变量，如果存在则返回值，不存在则创建并返回初始值。

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 的实现

类似hashmap，但没有实现map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也是独立实现。

threadLocal的内存泄漏问题

1. key以弱引用的方式指向threadlocal.
2. 当把threadlocal实例置为null以后,没有任何强引用指向threadlocal实例,所以threadlocal将会被gc回收,key也被回收了.
3. 但是我们的value却不能回收,因为存在一条从current thread连接过来的强引用.只有当thread结束以后,强引用断开, value才会被GC回收。
4. 所以当使用线程池的时候，线程结束是不会销毁的，会再次使用的就可能出现内存泄露 。

解决办法

1. 避免key被自动回收，使用static修饰。 使用static final修饰threadLocal保留一个全局的threadLocal方便传递其他value（threadLocal一直被强引用）。这样就不会让gc回收作为key的threadLocal。即不会导致key为null。
2. 手动执行remove()。使用完ThreadLocal后，执行remove操作，避免出现内存溢出情况。

为什么使用弱引用而不是强引用？

使用强引用

1. 假设在业务代码中使用完ThreadLocal ，threadLocal Ref被回收了。
2. 但是因为threadLocalMap的Entry强引用了threadLocal，造成threadLocal无法被回收。
3. 在没有手动删除这个Entry以及CurrentThread依然运行的前提下，始终有强引用链 threadRef->currentThread->threadLocalMap->entry，Entry就不会被回收（Entry中包括了ThreadLocal实例和value），导致Entry内存泄漏。

? 也就是说，ThreadLocalMap中的key使用了强引用， 是无法完全避免内存泄漏的。

使用弱引用

1. 同样假设在业务代码中使用完ThreadLocal ，threadLocal Ref被回收了。
2. 由于ThreadLocalMap只持有ThreadLocal的弱引用，没有任何强引用指向threadlocal实例, 所以threadlocal就可以顺利被gc回收，此时Entry中的key=null。
3. 但是在没有手动删除这个Entry以及CurrentThread依然运行的前提下，也存在有强引用链 threadRef->currentThread->threadLocalMap->entry -> value ，value不会被回收， 而这块value永远不会被访问到了，导致value内存泄漏。

? 也就是说，ThreadLocalMap中的key使用了弱引用， 也有可能内存泄漏。

出现内存泄漏的真实原因

1. 没有调用 remove方法
2. thread 线程不会被回收

为什么要使用弱引用

? 事实上，在ThreadLocalMap中的set/getEntry方法中，会对key为null（也即是ThreadLocal为null）进行判断，如果为null的话，那么是会对value回收。

? 这就意味着使用完ThreadLocal，CurrentThread依然运行的前提下，就算忘记调用remove方法，弱引用比强引用可以多一层保障：弱引用的ThreadLocal会被回收，对应的value在下一次ThreadLocalMap调用set,get,remove中的任一方法的时候会被清除，从而避免内存泄漏。

ThreadLocalMap的 Hash 算法

下标计算方式：

int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

每当创建一个ThreadLocal对象，这个ThreadLocal.nextHashCode 这个值就会增长HASH_INCREMENT（ 0x61c88647 ）。这个值很特殊，它是斐波那契数 也叫 黄金分割数。hash增量为 这个数字，带来的好处就是 hash 分布非常均匀。

ThreadLocalMap的 Hash 冲突以及处理

1. 虽然ThreadLocalMap中使用了黄金分割数来作为hash计算因子，大大减少了Hash冲突的概率，但是仍然会存在冲突。HashMap中解决冲突的方法是在数组上构造一个链表结构，冲突的数据挂载到链表上，如果链表长度超过一定数量则会转化成红黑树。
2. 而 ThreadLocalMap 中并没有链表结构，所以这里不能使用 HashMap 解决冲突的方式了。而是使用线性探测法。当发生hash冲突时，就会线性向后查找，一直找到 Entry 为 null 的槽位才会停止查找，将当前元素放入此槽位中。若整个空间都找不到空余的地址，则产生溢出。可以把Entry[] table看成一个环形数组。溢出就会执行到后面的清理空闲槽位，条件满足时就会rehash()；

ThreadLocalMap.set()详解

1. 首先还是根据key计算出索引 i，然后查找i位置上的Entry，
2. 若是Entry已经存在并且key等于传入的key，那么这时候直接给这个Entry赋新的value值,
3. 若是Entry存在，但是key为null，则调用replaceStaleEntry来更换这个key为空的Entry,
4. 不断循环检测，直到遇到为null的。
5. 如果循环结束都没有return，那么就需要新建一个Entry，并且插入，同时size增加1。
6. 最后调用cleanSomeSlots，清理key为null的Entry，再判断sz 是否达到了rehash的条件（(数组长度的 2/3），达到的话就会调用rehash函数执行一次全表的扫描清理。
7. rehash()中会先进行一轮探测式清理，清理过期key，清理完成后如果size >= threshold - threshold / 4，就会执行真正的扩容逻辑

ThreadLocalMap过期 key 的清理流程

探测式清理流程（expungeStaleEntry）

遍历散列数组，从开始位置向后探测清理过期数据，将过期数据的Entry设置为null，沿途中碰到未过期的数据则将此数据rehash后重新在table数组中定位，如果定位的位置已经有了数据，则会将未过期的数据放到最靠近此位置的Entry=null的桶中，使rehash后的Entry数据距离正确的桶的位置更近一些。

启发式清理流程（cleanSomeSlots）

在添加新元素或删除另一个陈旧元素时调用。它执行对数次扫描，循环 log2n次，如果在循环中发现了 过期key，此时会进行探测式清理，并重置循环次数为 log2n次

ThreadLocalMap的扩容

在 ThreadLocalMap.set() 方法的最后，启发式清理未删除任何条目，且散列数组中条目的数量已经达到扩容阈值，就开始执行 rehash() 逻辑。

1. 探测式清理所有过期数据，如果依然不能缩小表空间，则扩容
2. size >= threshold * 3/4，时执行resize
3. 扩容后的tab的大小为原理两倍，然后遍历老的散列表，重新计算hash位置，然后放到新的tab数组中，如果出现hash冲突则往后寻找最近的entry为null的槽位，遍历完成之后，oldTab中所有的entry数据都已经放入到新的tab中，并重新计算tab下次扩容的阈值。

InheritableThreadLocal

解决子线程无法共享父线程中创建的线程副本数据问题。实现原理是子线程是通过在父线程中通过调用new Thread()方法来创建子线程，Thread#init方法在Thread的构造方法中被调用。在init方法中拷贝父线程数据到子线程中。但InheritableThreadLocal仍然有缺陷，一般我们做异步化处理都是使用的线程池，而InheritableThreadLocal是在new Thread中的init()方法给赋值的，而线程池是线程复用的逻辑，所以这里会存在问题。

当然，有问题出现就会有解决问题的方案，阿里巴巴开源了一个TransmittableThreadLocal组件就可以解决这个问题

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