基础 | 并发编程 - [ThreadLocal]

§1 作用

• 是成员变量的线程本地化形态
• 使静态变量的值与线程绑定，即隔离了其他线程对当前线程中变量的操作

在理解时，不宜将 ThreadLocal 理解为横跨若干线程、存储并管理不同线程某些成员值的容器

• 因为 ThreadLocal 本身没有存储功能，提供存储功能的是 ThreadLocalMap
• ThreadLocalMap 并不是共用的，每个线程持有自己的 ThreadLocalMap
• ThreadLocal 仅相当于对各个线程各自的 ThreadLocalMap 的统一操作面板
• 将它理解为成员变量的线程本地化形态更加贴切

§2 API

ThreadLocal<Integer> count = ThreadLocal.withInitial(()->0);

public static void main(String[] args) {
    ThreadLocalDemo demo = new ThreadLocalDemo();
    for(int i=0;i<5;i++){
        new Thread(()->{
            try {
                demo.count.set(demo.count.get()+ new Random().nextInt(10));
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " | " + demo.count.get());
            } finally {
                demo.count.remove(); // 用完即删
            }
        },String.valueOf(i)).start();
    }
}
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§3 Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap

每个 Thread 中都有一个 ThreadLocalMap

ThreadLocalMap 由 ThreadLocalMap.Entry 组成

ThreadLocalMap.Entry 是 ThreadLocal 的内部类，用于存储 ThreadLocal 的弱引用 和 value 的映射
或者说，ThreadLocalMap.Entry 就是一种带有 value 的弱引用 WeakReference>

通过 ThreadLocal 存取值时，其实是对 ThreadLocalMap(里的 ThreadLocalMap.Entry ) 进行操作
以 get() 为例

• 获取当前线程的 ThreadLocalMap
• 按获取 hash 表落点（对长度取余）的方式获取对应的 ThreadLocalMap.Entry
  
  

总结：

• Thread 持有各自独立的 ThreadLocalMap
• ThreadLocalMap 中存储了当前线程的各个线程本地化变量
  即 ThreadLocal 的弱引用和 value 的映射
  ThreadLocal 本身并不存储值，存值的是ThreadLocalMap
• 同一个 ThreadLocal 在不同 ThreadLocalMap 中映射不同的值

示例
注意各个对象的 id

ThreadLocal<Integer> count = ThreadLocal.withInitial(()->0);
ThreadLocal<Integer> num = ThreadLocal.withInitial(()->0);

public static void main(String[] args) {
    ThreadLocalDemo demo = new ThreadLocalDemo();
    new Thread(()->{
        demo.count.set(10);
        demo.num.set(20);
        System.out.println(demo.count.get()+demo.num.get());
    }).start();

    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
    new Thread(()->{
        demo.count.set(1);
        demo.num.set(2);
        System.out.println(demo.count.get()+demo.num.get());
    }).start();
}
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§3 内存泄漏

为什么会有内存泄漏
先暂时忽略 ThreadLocalMap.Entry 上的弱引用，只考虑几个类的实例之间的引用关系，如下图所示

• 两个线程 A、B，各自持有各自的 ThreadLocalMap
• 每个 ThreadLocalMap 可能持有多个 ThreadLocalMap.Entry
• 每个 ThreadLocalMap.Entry 又引用各自的 ThreadLocal 和 值
  不同 ThreadLocalMap.Entry 上引用的 ThreadLocal 又可能是同一个
  

当 线程销毁 时，线程与它栈帧中的 ThreadLocalMap、Entry 都会回收
若 Entry 引用的 ThreadLocal 和 值没有额外引用(比如其他线程，或声明着 ThreadLocal 的对象)，则也会被回收

但在 线程复用的场景(比如线程池)，线程不会被销毁，会出现两种 内存泄漏

• ThreadLocal 被 ThreadLocalMap.Entry 持有导致
• key==null 的 ThreadLocalMap.Entry 导致

ThreadLocal 被 ThreadLocalMap.Entry 持有导致的内存泄漏

线程复用场景中，上述各个对象都不会被回收
这使得即使声明着 ThreadLocal 的对象都已经被回收了，ThreadLocal 也不不能被回收
因为它依然可以存在于各个线程的 ThreadLocalMap 中

JDK 为了解决这个问题，将 Entry 设计成弱引用 key，如下图

Entry 对 ThreadLocal 的引用被定义为弱引用，当发生 GC 时，Entry 的 key 会被置空(null)
若此时，原本作为 key 的 ThreadLocal 未被其他有效引用所引用的 ThreadLocal 对象会被回收，完美的解决了此问题

key==null 的 ThreadLocalMap.Entry 导致的内存泄漏

但是，key==null 的 Entry 依然被 ThreadLocalMap 持有
这相当于标记了这个 Entry 为腐败Entry(stale entry)，变得不可访问，但它和它引用的 value 依然占用内存
JDK 为了解决这个问题，为 ThreadLocal 提供了两种方案

• 自动回收，即 replaceStaleEntry() / expungeStaleEntry() 方法
  这些方法会在 set() / get() 的过程中发现 null 值的 key 后自动调用以清理腐败 Entry
  这可以解决大部分内存泄漏问题，但不能保证100%（比如 value 存了个很大的东西，然后在没有 set() / get() 过 ）
  

• 手动回收，remove() 方法，如下图
  remove() 方法会直接对 key 进行 expungeStaleEntry()
  使用完 ThreadLocal 后，应该调用此方法以做到实时清理 ThreadLocalMap ，见上文的 例子
  
  

题外话：为什么 Entry 的 value 不能通过弱引用解决
因为 value 有可能出现只被 Entry 引用的情况，这回导致在还没有使用完时，因 GC 丢失值
Entry 的 key 是因为它至少被声明 ThreadLocal 的对象强引用着，对象销毁才意味着它们已经没用了

总结
使用 ThreadLocal 造成内存泄漏的场景通常是因为

• 线程复用的场景，比如线程池
• 没有使用或正确使用 ThreadLocal 的 remove()

§4 最佳实践

• 用 static 修饰 ThreadLocal
  • 不强制，没有强制必要
  • 好处是可以在类装载时只开辟一块空间，而不需要随对象生灭重复开辟
• 通过 withInitial() 方法初始化 ThreadLocal
  • 默认的初始值是 null
  • 可能不满足业务场景
  • 初始化后没 set() 直接 get() 后容易出现空指针异常
• 使用后调用 remove() 方法
  • 线程复用场景下防止内存泄漏
  • 线程复用场景下防止得到线程上次被使用时保存的值，出现 bug
• 避免向 ThreadLocal 中 set() 共享对象（虽然线程隔离了，但隔离中的还是同一个东西的投影）
  • ThreadLocal 并不能完美的隔离所有变量
  • 对各种基础类型可以通过 ThreadLocal 变相实现线程安全
  • 但引用型变量，尤其是常见的不安全容器，则依然可能会造成多个线程不安全的访问它们
    比如在多个线程中 set() 同一个 HashMap