Java中的线程本地变量ThreadLocal

梦里梦外; 2022-10-16 06:18 223阅读 0赞

### 线程本地变量ThreadLocal ###

*  基本概念
 *  ThreadLocal的原理
 *   *  get
     *  ThreadLocalMap
 *  ThreadLocal的使用
 *   *  创建
     *  赋值
     *  获取
     *  初始化
 *  ThreadLocal的问题
 *   *  内存泄漏
     *  Hash冲突
 *  ThreadLocal的继承
 *   *  InheritableThreadLocal

# 基本概念 #

*  在处理多线程中最常用的方法就是使用锁,通过锁来控制多个不同的线程对临界区的访问,但是锁会在并发冲突时对性能造成影响,这是可以使用线程本地变量**ThreadLocal**避免锁竞争导致的并发冲突
    
     *  **ThreadLocal**的变量只有当前自身线程可以访问,其余线程无法访问,这样可以避免线程竞争
     *  **ThreadLocal**提供的线程安全方式不是在发生并发线程冲突时解决冲突,而是彻底避免的线程冲突的发生

# ThreadLocal的原理 #

## get ##

public T get() { 
    	// 获取当前线程
    	Thread t = Thread.currentThread();
    	/* * 每个线程自身都有一个ThreadLocalMap * ThreadLocalMap中保存着所有的ThreadLocal变量 */
    	ThreadLocalMap map = getMap(t);
    	if (map != null) { 
    		/* * ThreadLocalMap的key就是当前ThreadLocal对象的实例 * 多个ThreadLocal变量都保存在这个ThreadLocalMap中 */
    		ThreadLocal.Entry e = map.getEntry(this);
    		if (e != null) { 
    			// ThreadLocalMap中取出的值就是本地变量ThreadLocal变量
    			@SuppressWarnings("unchecked")
    			T result = e.value;
    			return result;
    		}
    	}
    	// 如果ThreadLocalMap没有进行初始化,就在这里对ThreadLocalMap进行初始化
    	return setInitialValue();
    }

## ThreadLocalMap ##

*  **ThreadLocal**变量保存在每个线程的**map**中,这个**map**就是**Thread**对象中的**threadLocals**字段

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

*  **Thread.ThreadLocalMap**是一个特殊的**Map,** 其中每个**Entry**的**key**都是一个弱引用:
    
     *  当这个变量不再被其余的对象使用时,可以自动回收这个ThreadLocal对象,避免可能存在的内存泄漏问题
     *  **注意:** 此时**Entry**中的**key**依旧是一个强引用,仍然可能存在如何回收,内存泄漏的问题

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

# ThreadLocal的使用 #

## 创建 ##

private ThreadLocal<Integer> local = new ThreadLocal<>();

*  **ThreadLocal**是一个泛型类,需要指定**ThreadLocal**的变量类型

## 赋值 ##

local.set(6)

## 获取 ##

local.get()

## 初始化 ##

*  **ThreadLocal**本地变量赋值时只有当前线程可见,所以无法通过其余线程进行赋值初始化
 *  如果需要统一初始化所有线程的**ThreadLocal**变量的值,需要使用**ThreadLocal**类中的**withInitial()** 方法,此时**ThreadLocal**变量的值是对所有线程是可见的

private ThreadLocal<Integer> local = ThreadLocal.withInitial(() -> 6);

# ThreadLocal的问题 #

## 内存泄漏 ##

*  **ThreadLocal**的**ThreadLocalMap**中的**Entry**的**key**是弱引用,当不存在外部强引用时 **,key**就会被垃圾回收器自动回收
 *  **ThreadLocal**的**ThreadLocalMap**中的**Entry**的**value**依旧是强引用,这个**value**的引用过程如下:

> **Thread** \-> **ThreadLocalMap** \-> **Entry** \-> **value**

*  从**value**的引用过程中可以看出,只有当线程**Thread**被回收时 **,ThreadLocal**中**ThreadLocalMap**才可能被回收. 只要线程不退出 **,value**总是会存在一个强引用
 *  对于线程池来说,大部分线程会一直存在于系统的整个生命周期中,这样会导致**value**始终都会存在一个强引用,造成**value**对象存在内存泄漏的可能
 *  **解决:**
    
     *  在**ThreadLocalMap**进行**set(),get()** 和**remove()** 操作的时候,对**value**值进行清理
    
        private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) { 
                  int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
                  Entry e = table[i];
                  if (e != null && e.get() == key)
                  	  // 如果获取到key,直接返回Entry 
                      return e;
                  else
                  	  // 如果未获取到key,就尝试清理.如果访问的key总是存在,就不会进入这个方法
                      return getEntryAfterMiss(key, i, e);
              }
        
        
          	private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) { 
                  Entry[] tab = table;
                  int len = tab.length;
        
                  while (e != null) { 
                  	// Entry是一个弱引用
                      ThreadLocal<?> k = e.get();
                      if (k == key)
                      	// 如果获取到key,就返回Entry
                          return e;
                      if (k == null)
                      	// 如果key值为null,说明弱引用已经被回收.这时对value值进行清理回收
                          expungeStaleEntry(i);
                      else
                      	// 如果key值不是想要找的key,说明存在Hash冲突.在这里对冲突进行处理,寻找下一个Entry
                          i = nextIndex(i, len);
                      e = tab[i];
                  }
                  return null;
              }
    
     *  这里可以看出,对**value**值进行清理回收的方法为**expungeStaleEntry()** 方法.在**remove()** 和**set()** 方法中,都会直接或者间接调用这个回收方法对**value**值进行清理
 *  **总结:**
    
     *  在**ThreadLocal**中,为了避免内存泄漏,不仅使用了弱引用对**key**进行维护,还会在每个操作上检查**key**是否被回收,对**value**值进行清理回收
     *  因为**ThreadLocal**中的**get()** 方法总是会访问固定的几个一直存在的**ThreadLocal,** 这样会导致对**value**的清理回收动作一直不会执行.如果不手动调用**set()** 或者**remove()** 方法,依旧会存在内存泄漏的问题
     *  所以当不需要某个**ThreadLocal**变量时,应该主动调用**remove()** 方法,避免产生内存泄漏问题

## Hash冲突 ##

*  **HashMap**和**ThreadLocalMap**中**Hash**冲突处理的比较:
    
     *  **HashMap:**
        
         *  使用链表法解决**Hash**冲突
         *  冲突中的每一个槽值中都一个链表,冲突的元素构成一个链表,放置在同一个槽位中
     *  **ThreadLocalMap:**
        
         *  使用线性探测法解决**Hash**冲突
         *  如果放置的元素和槽值存在冲突,就选择下一个槽位存放

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) { 
                Entry[] tab = table;
                int len = tab.length;
                // 获取数组中Hash的一个位置
                int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    			/* * 如果e == null,说明这个位置没有被占用,也就是没有冲突,不需要处理冲突,就不会进入循环 * 可以直接使用这个位置 * 如果e != null,说明发生冲突,就要进入循环中处理冲突,一直向下找,直到找到一个没有被占用的位置 */
                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();
            }

# ThreadLocal的继承 #

## InheritableThreadLocal ##

*  有些数据需要进行父子线程之间的传递,比如存在**ThreadLocal**的父线程开立一个子线程,需要在子线程中访问主线程中的**ThreadLocal**对象
 *  因为在子线程中没有**ThreadLocal**对象,但是希望子线程可以获取到父线程的**ThreadLocal**对象,这里就可以使用**InheritableThreadLocal**对象替代**ThreadLocal**对象
 *  使用**InheritableThreadLocal**后,子线程就可以访问父线程中的**ThreadLocal**对象,但是要注意以下两点:
    
     *  变量的传递是发生在线程创建过程中,如果不是创建线程,而是使用线程池中的线程,子线程仍然无法获取到父线程中的**ThreadLocal**对象
     *  变量的传递就是从父线程的**map**中复制给子线程,两个线程的value是同一个对象.如果这个**value**对象本身是线程不安全的,那么两个线程中的**value**同样也是线程不安全的