title: ThreadLocal小記
date: 2016-09-11 19:33:39
tags: Java
categories: Java
ThreadLocal
最近《Java并發(fā)編程實戰(zhàn)》第三章談及了對象共享的問題艇潭。對共享的可變數(shù)據(jù)最簡單粗暴的做法當然是同步，但是同步的缺點也很明顯：1. 同步會導致阻塞；2.代碼復雜可維護性降低蹋凝。針對這個問題鲁纠，書上談及到了通過線程封閉避免同步，其中的ThreadLocal類就是幫助維持線程封閉性的仙粱。
之前對ThreadLocal的認識非常簡單房交，就是把一個變量綁定到線程上彻舰。參照網(wǎng)上的例子自己也實現(xiàn)了類似功能的例子ThreadLocalVariable(https://github.com/zhanghTK/HelloJava/blob/master/src/main/java/tk/zhangh/java/thread/ThreadLocalVariable.java)伐割，但總的來說沒什么體會。今天參照別人的文章看了一下ThreadLocal的實現(xiàn)刃唤，發(fā)現(xiàn)還是有蠻多注意點的隔心。
看JDK之前想當然的以為ThreadLocal應該就是簡單對Map<Thread, Object>做一個封裝，然而實際并沒有這么簡單尚胞。參照了網(wǎng)上一些文章的說法硬霍，早期的ThreadLocal確實是這樣實現(xiàn)的。但是這樣實現(xiàn)存在一些問題：
- 線程安全問題笼裳，如果使用線程安全的Map實現(xiàn)那么就會帶來性能問題唯卖，當有大量的線程使用ThreadLocal，伴隨著線程生命周期ThreadLocal也需要頻繁向底層的Map添加刪除數(shù)據(jù)躬柬。
- 內(nèi)存回收問題拜轨，用Thread當key，除非手動調(diào)用remove允青，否則即使線程退出了會導致：1)該Thread對象無法回收橄碾；2)該線程在所有ThreadLocal中對應的value也無法回收。
ThreadLocal實際給出了不同的實現(xiàn)方式颠锉。首先綁定到線程的變量沒有維護在ThreadLocal內(nèi)法牲，而是維護在各個Thread類實例內(nèi)——在Thread類內(nèi)使用了ThreadLocal的靜態(tài)內(nèi)部類ThreadLocalMap實例去維護需要綁定到線程的變量。這樣原本需要維護在ThreadLocal內(nèi)的數(shù)據(jù)現(xiàn)在就分散到了各個線程內(nèi)去維護琼掠。
在Thread中ThreadLocalMap的聲明長這樣：
// 真的就只是聲明了一下拒垃，什么都沒干
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocal一共只有五個非私有的方法，首先是兩個并沒有什么卵用的方法：
// 構造瓷蛙，什么都沒干
public ThreadLocal() {}
// 設置ThreadLocal的初始值悼瓮，protected很明顯是希望子類重寫
protected T initialValue() {return null}
看看其余三個方法的實現(xiàn)（JDK8）
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
// 從線程里獲取ThreadLocalMap
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
// 根據(jù)ThreadLocal實例獲取Entity
// 注意key類型是ThreadLocal，不是Thread
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
// 如果獲得的map為null或者從map通過key獲取的value為空時獲取一個初始值
// setInitialValue方法里調(diào)用了initialValue方法初始化一個值
return setInitialValue();
}
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
// 沒什么說的set進去
map.set(this, value);
else
// 當map不存在時速挑，使用初始值創(chuàng)建一個
createMap(t, value);
}
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
// 沒什么說的谤牡，remove掉
m.remove(this);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
// 你給我一個線程，還你一個map
return t.threadLocals;
}
ThreadLocal所有的操作都是圍繞著內(nèi)部類ThreadLocalMap的姥宝，ThreadLocal只是讓ThreadLocalMap更加容易訪問翅萤。咦，有點耳熟，沒錯外觀模式套么。
下面看一下ThreadLocal的靜態(tài)內(nèi)部類ThreadLocalMap培己，JDK文檔對它的描述主要集中在一下幾點：
- 是什么：定制的hash map用于維護本地線程變量
- 可見性：ThreadLocal之外沒有任何方法可訪問，Thread類使用它定義了私有屬性
- 特殊性：為了管理大對象胚泌、長生命周期對象省咨，ThreadLocalMap的key繼承WeakReference
前面兩點沒什么好說的，主要是第三點：key繼承了弱引用類型（關于弱引用可以先參考傳送門）玷室。
實線表示強引用零蓉，虛線表示弱引用。
簡而言之穷缤，一個對象在沒有強引用引用敌蜂，只有弱引用引用時，當GC發(fā)生這個對象就會被標記回收津肛。將ThreadLocalMap的key設置成弱引用章喉，
當不再使用ThreadLocal（沒有任何強引用引用）時，只有ThreadLocalMap的Entry對它存在弱引用身坐，這樣GC的時候這個ThreadLocal對象就可以被回收了秸脱。
key得到有效回收，但value依然存在著強引用關系部蛇√剑可能導致key被回收了，但value的引用始終存在搪花。引用關系：
Thread Ref -> Thread -> ThreadLocalMap -> Entry -> value
即使線程不再使用 ThreadLocal遏片，但因為上面的引用關系存在仍會導致 value 無法回收，只有線程被銷毀時才能被回收撮竿。極端情況下（例如使用線程池管理線程）吮便，可能導致內(nèi)存溢出、數(shù)據(jù)錯亂幢踏。
真對這個問題ThreadLocalMap在實現(xiàn)的時候也采取了一些防護措施髓需，比如ThreadLocalMap的get（set，remove方法也類似房蝉，限于篇幅不展開了）：
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
// hash函數(shù)獲取索引位置
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key)
// 命中了
return e;
else
// miss了
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
// 遍歷table
while (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key)
// 找到了
return e;
if (k == null)
// 發(fā)現(xiàn)key為空（也就是上面描述的內(nèi)存泄漏的情況）僚匆，做刪除
expungeStaleEntry(i);
else
// 找下一個Entty位置
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}
在get的過程中凡是碰到了key為null的Entry，這個Entry就會被擦除搭幻，從而避免內(nèi)存泄漏咧擂。類似的思路在set，remove方法中都有實現(xiàn)檀蹋。針對內(nèi)存泄漏問題ThreadLocal實際是需要手動觸發(fā)函數(shù)刪除key為null的Entry松申，因此對ThreadLocal維護的變量不再使用時，手動 remove 還是很有必要的。
ThreadLocal 還是有很多值得學習的地方贸桶，尤其是 ThreadLocalMap 設計的非常巧妙：
- 從設計模式的角度：
- 將線程內(nèi)使用的變量封裝在線程內(nèi)優(yōu)于全局的上線文（迪米特法則）
- ThreadLocal 屏蔽了 ThreadLocalMap 的實現(xiàn)舅逸，為客戶端提供簡單統(tǒng)一的調(diào)用方法（外觀模式）
- Java 實現(xiàn)：
- ThreadLocalMap 的 key 使用弱引用可以盡快回收 ThreadLocal，對 map 的其他操作也提供了 value 回收的兜底方式皇筛，最大限度的避免了內(nèi)存溢出的可能
ThreadLocal 的最佳實踐：在業(yè)務周期完成時琉历，顯式的調(diào)用ThreadLocal 的 remove()方法。
