ThreadLocal源码分析

小鱼儿 2022-07-24 07:22 186阅读 0赞

环境：jdk8

# 类定义 #

public class ThreadLocal<T>

## 构造方法 ##

public ThreadLocal() { 
          }

可以看到ThreadLocal类是一个范型定义的类，实例化时可以指定实际类型。

该方法实例化一个线程本地变量。

## initialValue ##

initialValue方法源码：

protected T initialValue() { 
              return null;
          }

可以看到该方法是protected修饰的，是一个范型方法，默认返回null。可以被子类重写。

该方法返回当前线程局部变量的当前线程的“初始值”。

该方法第一次被调用是一个线程通过get方法访问这个变量，除非这个线程预先调用set方法，在这种情况下，该方法将不会被当前线程调用。

正常情况下，该方法最多会被每个线程都调用一次。除非该线程调用remove方法后又调用get方法。

如果需要线程本地变量有一个初始值，那么该方法必须被重写，通常在匿名内部类中重写。

## set ##

set方法源码：

public void set(T value) { 
              Thread t = Thread.currentThread();
              ThreadLocalMap map = getMap(t);
              if (map != null)
                  map.set(this, value);
              else
                  createMap(t, value);
          }

首先第二行得到当前运行线程的引用。接下来再调用getMap方法返回当前线程关联的ThreadLocalMap对象：

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

ThreadLocalMap类是一个自定义的hash map仅用来维持一个threadlocal类。该类作为静态内部类定义在ThreadLocal类中。

在getMap方法中返回当前线程的threadLocals变量，我们去看看Thread类中该变量的定义：

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
           * by the ThreadLocal class. */
          ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

根据该变量的注释，我们知道，threadLocals由ThreadLocal类维持，而ThreadLocal的值和当前线程相关。

接下来set方法的第四行判断与当前线程关联的ThreadLocalMap对象是否为空，若不为空，则调用map的set方法以ThreadLocal为key，value为值：

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) { 
       
                  // We don't use a fast path as with get() because it is at
                  // least as common to use set() to create new entries as
                  // it is to replace existing ones, in which case, a fast
                  // path would fail more often than not.
       
                  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)]) { 
                      ThreadLocal<?> k = e.get();
       
                      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();
              }

该方法的第8～10行初始化，第12～26根据key去遍历Entry实体数组是否存在传递过来的ThreadLocal，存在则返回，否则调用replaceStaleEntry方法替换旧的Entry实体并返回，当计算得到的Entry为空时，第28行实例化一个Entry，建立关联。

否则调用createMap方法使用当前ThreadLocal对象和当前要设置的值value实例化一个ThreadLocalMap对象，建立map和当前ThreadLocal的关联。

void createMap(Thread t, T firstValue) { 
              t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); // 这里是上面提到的threadLocals初始化的地方
          }

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) { 
                  table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
                  int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
                  table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
                  size = 1;
                  setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
              }

INITIAL\_CAPACITY常量的值为16.

可以看到会构造一个Entry数组，用来存放一个ThreadLocal和它的值。

注意这里使用到了延迟初始化的技术：

这里仅仅是初始化了16个元素的引用数组，并没有初始化16个 Entry 对象。而是一个线程中有多少个线程局部对象要保存，那么就初始化多少个 Entry 对象来保存它们。

到了这里，我们可以思考一下，为什么要这样实现了。为什么要用 ThreadLocalMap 来保存线程局部对象呢？原因是一个线程拥有的的局部对象可能有很多，这样实现的话，那么不管你一个线程拥有多少个局部变量，都是使用同一个 ThreadLocalMap 来保存的，ThreadLocalMap 中 private Entry\[\] table 的初始大小是16。超过容量的2/3时，会扩容。

第四行Entry构造方法存在于静态嵌套类Entry中：

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> { 
                  /** The value associated with this ThreadLocal. */
                  Object value;
       
                  Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) { 
                      super(k);
                      value = v;
                  }
              }

在该方法中会构造一个弱引用的ThreadLocal对象。

第五行size=1,即table元素数量为1。只有在我们至少有一个ThreadLocal放入table的时候才会创造一个ThreadLocalMap实例。

最后将关联对象ThreadLocalMap赋值给当前线程的thread-local变量。

由此可以看到set方法设置当前线程的thread-local变量的副本并指定一个初始值，每个线程都保持对其线程局部（thread-local）变量副本的隐式引用。

## get    ##

get方法源码：

public T get() { 
              Thread t = Thread.currentThread();
              ThreadLocalMap map = getMap(t);
              if (map != null) { 
                  ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
                  if (e != null) { 
                      @SuppressWarnings("unchecked")
                      T result = (T)e.value;
                      return result;
                  }
              }
              return setInitialValue();
          }

首先第二行得到当前运行线程的引用。接下来再调用getMap方法返回当前线程关联的ThreadLocal map对象：

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

ThreadLocalMap类是一个自定义的hash map仅用来维持一个threadlocal类。

接下来判断与当前线程关联的map对象是否为空，不为空，则通过map的getEntry方法得到与ThreadLocal关联的Entry，

接下判断Entry不为空则，得到Entry的值并返回，该值是和ThreadLocal对象关联的值。

否则返回调用setInitialValue方法：

private T setInitialValue() { 
              T value = initialValue();
              Thread t = Thread.currentThread();
              ThreadLocalMap map = getMap(t);
              if (map != null)
                  map.set(this, value);
              else
                  createMap(t, value);
              return value;
          }

可以看到该方法是set（）方法的变种，为了确定并返回初始值。

## remove ##

remove方法源码：

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

第二行上面已经分析过，直接看ThreadLocalMap对象的remove方法：

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;
                      }
                  }
              }

table变量的定义：

/**
               * The table, resized as necessary.
               * table.length MUST always be a power of two.
               */
              private Entry[] table;

由以上分析可以知道table存储的是弱引用的ThreadLocal对象。

第五行根据key的哈希码得到的索引去遍历查找table里面的的Entry并得到Entry持有的引用判断其是否和传递进来的ThreadLocal对象相等，若相等则清除它，并调用expungeStaleEntry方法将索引为i的Entry置为null，数量减1，最后重新计算哈希码。

## 内存回收 ##

### 在ThreadLocal 层面的内存回收 ###

根据ThreadLocal类的注释，可以知道每个活着的线程都持有一个thread-local变量的副本并且ThreadLocal实例是可访问的。

当线程死亡时，那么所有的保存在的线程局部变量就会被回收，其实这里是指线程Thread对象中的 ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals 会被回收，这是显然的。

/**Each thread holds an implicit reference to its copy of a thread-local
       variable as long as the thread is alive and the {@code ThreadLocal}
       instance is accessible; after a thread goes away, all of its copies of
       thread-local instances are subject to garbage collection (unless other
       references to these copies exist). */

### ThreadLocalMap 层面的内存回收 ###

根据ThreadLocalMap类的注释,ThreadLocalMap是一个定制的hash map，只用来维持线程局部变量并且是被WeakReferences包装过的弱引用。

/**
           * ThreadLocalMap is a customized hash map suitable only for
           * maintaining thread local values. No operations are exported
           * outside of the ThreadLocal class. The class is package private to
           * allow declaration of fields in class Thread.  To help deal with
           * very large and long-lived usages, the hash table entries use
           * WeakReferences for keys. However, since reference queues are not
           * used, stale entries are guaranteed to be removed only when
           * the table starts running out of space.
           */

如果线程可以活很长的时间，并且该线程保存的线程局部变量有很多(也就是 Entry 对象很多)，那么就涉及到在线程的生命期内如何回收 ThreadLocalMap 的内存了，不然的话，Entry对象越多，那么ThreadLocalMap 就会越来越大，占用的内存就会越来越多，所以对于已经不需要了的线程局部变量，就应该清理掉其对应的Entry对象。

/**
                * Set the resize threshold to maintain at worst a 2/3 load factor.
                */
               private void setThreshold(int len) { 
                   threshold = len * 2 / 3;
               }

使用的方式是，Entry对象的key是WeakReference 的包装，当ThreadLocalMap 的 private Entry\[\] table，已经被占用达到了三分之二时 threshold = 2/3(也就是线程拥有的局部变量超过了10个) ，就会尝试回收 Entry 对象，我们可以看到 ThreadLocalMap.set方法中有下面的代码：

if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
           rehash();

cleanSomeSlots 就是进行回收内存：

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;
               }

e.get() == null 调用的是 Entry 的父类 WeakReference<ThreadLocal<?>> 的方法：

public T get() { 
               return this.referent;
           }

返回 null ，表示 Entry 的 key 已经被回收了，所以可以回收该 Entry 对象了：

expungeStaleEntry(i)方法源码：

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) { 
                   Entry[] tab = table;
                   int len = tab.length;
        
                   // expunge entry at staleSlot
                   tab[staleSlot].value = null;
                   tab[staleSlot] = null;
                   size--;
        
                   // Rehash until we encounter null
                   Entry e;
                   int i;
                   for (i = nextIndex(staleSlot, len);
                        (e = tab[i]) != null;
                        i = nextIndex(i, len)) { 
                       ThreadLocal<?> k = e.get();
                       if (k == null) { 
                           e.value = null;
                           tab[i] = null;
                           size--;
                       } else { 
                           int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
                           if (h != i) { 
                               tab[i] = null;
        
                               // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                               // null because multiple entries could have been stale.
                               while (tab[h] != null)
                                   h = nextIndex(h, len);
                               tab[h] = e;
                           }
                       }
                   }
                   return i;
               }

## 总结 ##

1）一个线程中的所有的局部变量其实存储在该线程自己的同一个map属性中；

2）线程死亡时，线程局部变量会自动回收内存；

3）线程局部变量时通过一个 Entry 保存在map中，该Entry 的key是一个 WeakReference包装的ThreadLocal, value为线程局部变量;

key 到 value 的映射是通过：ThreadLocal.threadLocalHashCode & (INITIAL\_CAPACITY - 1) 来完成的；

4）当线程拥有的局部变量超过了容量的2/3(没有扩大容量时是10个)，会涉及到ThreadLocalMap中Entry的回收.

如有疏漏或不清楚请指出，谢谢！

内存回收及总结内容来自：

[http://www.cnblogs.com/digdeep/p/4510875.html][http_www.cnblogs.com_digdeep_p_4510875.html]

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