高并发篇_9 ThreadLocal原理分析

川长思鸟来 2022-10-08 02:27 231阅读 0赞

**田超凡**

**原创博文，仿冒必究，部分素材转载自****每特教育****蚂蚁课堂**

## 1 ThreadLocal基本概念 ##

**ThreadLocal****提供了线程本地变量，它可以保证访问到的变量属于当前线程，每个线程都保存有一个变量副本，每个线程的变量都不同。**

**ThreadLocal****相当于提供了一种线程隔离，将变量与线程相绑定，ThreadLocal适用于在多线程的情况下，实现线程之间的数据隔离，进而解决线程安全性问题**

## 2 ThreadLocal常用API ##

1.  **set(T value)** **设置当前线程缓存变量的值**
2.  **get()** **获取当前线程缓存变量的值**
3.  **remove()** **移除当前线程缓存变量的值**

## 3 ThreadLocal应用场景 ##

**1 Spring AOP****声明式事务管理，设置事务只读**

**TransactionAspectSupport.currentTransactionStatus().setRollbackOnly();**

**2 Spring MVC/Spring AOP****增强处理获取HttpServletRequest**

**HttpServletRequest request = ((ServletRequestAttributes) (RequestContextHolder.currentRequestAttributes())).getRequest();**

**3 分布式事务解决方案LCN/Seata生成全局事务ID**

## 4 ThreadLocal和Synchronized的区别 ##

**共同点：Synchronized和ThreadLocal都可以用来解决并发场景下的线程安全问题**

**不同点：**

**Synchronized****是悲观锁的实现方式，它的核心思想是当多个线程同时竞争锁的时候，保证同一时刻只有一个线程能够竞争到这把锁，其他没有竞争到锁的线程会立刻阻塞到内核态，典型的时间换空间的实现方式：多线程竞争锁消耗大量时间(用户态和内核态频繁切换)，带来的好处就是不会消耗CPU资源，节省CPU资源占用空间。(时间换空间)**

**ThreadLocal****是线程隔离的实现方式，通过给每个线程都创建一个ThreadLocalMap本地变量副本来存放当前线程的缓存变量值，不同线程之间缓存变量的值完全隔离。**

**典型的空间换时间的实现方式：每个线程都需要创建一个本地变量副本(ThreadLocalMap)，消耗大量内存空间，但是带来的好处是可以节省线程执行的时间(只运行在用户态，不需要在用户态和内核态频繁切换)（空间换时间）**

## 5 内存溢出和内存泄漏 ##

**内存溢出：内存已经被占满了，当前程序申请分配内存将会失败(无法再次给当前程序分配内存空间)的问题**

**解决方案：内存扩容、释放部分程序占用的内存资源**

**内存泄漏：一开始内存没有被占满，但是有部分长时间占用到内存资源的线程一直占用着，不消耗内存资源，并最终导致内存占满的问题**

**解决方案：JVM GC垃圾回收、JVM性能调优**

## 6 强、弱、软、虚引用 ##

**强引用****：无论内存空间占用情况如何(还有没有可用的内存空间，或者已经OOM)，当前对象都不会被回收(死都不回收)**

**弱引用****：无论内存空间占用情况如何，只要是触发了JVM GC垃圾回收，当前对象就会立刻被回收(只要JVM GC就回收)，依赖****java.lang.ref.WeakReference****类实现**

**软引用****：当内存空间足够的时候，当前对象不会被回收；当内存空间不足的时候，当前对象会被回收(看内存占用情况决定是否回收)**

**虚引用****：顾名思义，该操作是一个形同虚设的概念，不介入实际的对象回收周期(形同虚设)，依赖java.lang.ref.PhantomReference类实现**

## 7 ThreadLocal实现原理 ##

**ThreadLocal****通过给每个线程都创建一个ThreadLocalMap来存放当前线程缓存变量的值，不同线程之间缓存变量是完全隔离的，互不可访问的，而ThreadLocalMap底层是通过Entry来存储缓存变量的，Entry 通过弱引用指向Key并对应一个Value，这个Key就是当前线程的ThreadLocal实例，Value就是当前线程缓存变量的值**

**set()** **实现原理:**

1.  **获取当前线程的本地变量ThreadLocalMap**

![20210619190356831.png][]

1.  **如果没有获取到本地变量ThreadLocalMap，则创建一个空的ThreadLocalMap并通过构造注入存入到对应的Entry中(Key是当前ThreadLocal实例，Value是缓存变量的值)**

![20210619190401783.png][]

![20210619190406252.png][]

![20210619190409463.png][]

**如果获取到了本地变量ThreadLocalMap，就会将当前线程绑定的ThreadLocal实例和缓存变量的值存放到ThreadLocalMap的Entry<ThreadLocal,T>中**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**get()** **实现原理:**

1.  **获取当前线程的本地变量副本ThreadLocalMap**
2.  **如果获取到了当前线程的ThreadLocalMap，则根据当前线程绑定的ThreadLocal实例作为Key获取Entry中的Value**
3.  **如果没有获取到当前线程的ThreadLocalMap，那么就会调用setInitialize()创建一个空的ThreadLocalMap，并使用当前线程绑定的ThreadLocal实例作为Entry的Key，null作为Entry的Value存入当前线程的ThreadLocalMap**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

**remove()** **实现原理:**

1.  **获取当前线程的本地变量副本ThreadLocalMap**
2.  **将ThreadLocalMap中Key为当前ThreadLocal实例的数据直接移除**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

## 8 ThreadLocal产生内存泄漏的原因 ##

**上文提到，每个线程都会绑定一个ThreadLocalMap来作为本地变量副本，而ThreadLocalMap底层是通过Entry来存放数据的，Entry基于弱引用指向Key(ThreadLocal实例)，通过Key来绑定Value缓存变量。**

**根据弱引用的原则，当且仅当JVM GC垃圾回收时才会回收对象。如果在此之前，部分线程的ThreadLocal被设置为空了(threadLocal=null)，那么该ThreadLocal绑定的Entry(Key-Value键值对)将不会被回收，除非手动触发JVM GC回收才会回收该对象。但是实际上在开发过程中，手动去通过System.gc()触发GC回收的使用概率是非常少的，并且System.gc()调用不一定就会立刻触发JVM GC垃圾回收，System.gc()的作用只是告诉JVM你可以进行GC垃圾回收了，但是有可能最终没有垃圾回收，那么就会导致这些ThreadLocal被置为空的线程的本地变量副本中都会一直存在key为null的Entry键值对，且始终不会被回收，一直存放在内存中占用内存空间，数量多了之后就会导致内存泄漏(已分配到内存的部分一直不释放内存，导致内存爆满)。**

**总的而言，ThreadLocal产生内存泄漏的原因，主要是因为ThreadLocalMap与**

**我们当前线程的生命周期一样，如果没有手动的删除的情况下，就有可能会发生内存泄漏的问题。**

## 9 如何避免ThreadLocal内存泄漏 ##

1.  **每次set()前先执行一次remove()**
2.  **调用remove() 将不要的数据移除避免内存泄漏的问题；**

## **10 ThreadLocal应用案例：生成全局ID** ##

**目标：在AOP前置增强中生成全局ID，在程序中其他地方获取全局ID**

<code>  import com.alibaba.fastjson.JSON;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import org.aspectj.lang.JoinPoint;

import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;

import org.aspectj.lang.annotation.Before;

import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;

import org.springframework.stereotype.Component;

import org.springframework.web.context.request.RequestContextHolder;

import org.springframework.web.context.request.ServletRequestAttributes;

import javax.servlet.http.HttpServletRequest;

import java.util.Date;

import java.util.Objects;

import java.util.UUID;

@Aspect

@Component

@Slf4j

public class TestAop {

&nbsp;&nbsp;&nbsp; @Autowired

&nbsp;&nbsp;&nbsp; private GlobalIDContextholder globalIDContextholder;

&nbsp;&nbsp;&nbsp; /**

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; * 切入点

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; */

&nbsp;&nbsp;&nbsp; @Pointcut("execution(public * com.super.service.*Service.*(..))")

&nbsp;&nbsp;&nbsp; public void log() {

&nbsp;&nbsp;&nbsp; }

&nbsp;&nbsp;&nbsp; /**

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; * 前置操作

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; *

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; * @param point 切入点

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; */

&nbsp;&nbsp;&nbsp; @Before("log()")

&nbsp;&nbsp;&nbsp; public void beforeLog(JoinPoint point) {

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; UUID globalId = UUID.randomUUID();

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; globalIDContextholder.set(globalId.toString());

&nbsp;&nbsp;&nbsp; }

}</code></pre> <p style="margin-left:0;text-align:justify;">&nbsp;</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:426.1pt;"> <pre style="margin-left:.0001pt;"><code>i

@RestController

public class TestController {

&nbsp;&nbsp;&nbsp; @Autowired

&nbsp;&nbsp;&nbsp; private GlobalIDContextholder globalIDContextholder;

&nbsp;&nbsp;&nbsp; @GetMapping("/doTest")

&nbsp;&nbsp;&nbsp; public String doTest () {

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; return "从aop中获取的全局id:" + globalIDContextholder.getId();

&nbsp;&nbsp;&nbsp; }

}</code></pre> <p style="margin-left:0;text-align:justify;">&nbsp;</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:426.1pt;"> <pre style="margin-left:.0001pt;"><code>@Component

public class GlobalIDContextholder {

&nbsp;&nbsp;&nbsp; private ThreadLocal&lt;String&gt; globalIds = new ThreadLocal&lt;String&gt;();

&nbsp;&nbsp;&nbsp; public String getId() {

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; return globalIds.get();

&nbsp;&nbsp;&nbsp; }

&nbsp;&nbsp;&nbsp; public void set(String globalId) {

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; globalIds.set(globalId);

&nbsp;&nbsp;&nbsp; }

}</code></pre> <p style="margin-left:0;text-align:justify;">&nbsp;</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[20210619190356831.png]: /images/20221005/b35a274d5b38469ab9adc3e2e20f0a57.png
[20210619190401783.png]: /images/20221005/380b79f7082d4eb2b516bc09ed28a2f4.png
[20210619190406252.png]: /images/20221005/311b9bb8f72346c2a6db8b4f1ee58410.png
[20210619190409463.png]: /images/20221005/b051b231fafb4697b61b708e86d1cbe9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221005/9719086377f24ca58124739bb474a25d.png
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