Java ThreadLocal原理解析以及應用場景分析案例詳解
ThreadLocal的定義
JDK對ThreadLocal的定義如下：
TheadLocal提供了線程內部的局部變量：每個線程都有自己的獨立的副本；ThreadLocal實例通常是類中的private static字段，該類一般與線程狀態(tài)相關（或線程上下文）中使用。只要線程處于活動狀態(tài)且ThreadLocal實例時可訪問的狀態(tài)下，每個線程都持有對其線程局部變量的副本的隱式引用，在線程消亡后，ThreadLocal實例的所有副本都將進行垃圾回收。
ThreadLocal的應用場景
ThreadLocal 不是用來解決多線程訪問共享變量的問題，所以不能替換掉同步方法。一般而言，ThreadLocal的最佳應用場景是：按照線程多實例（每個線程對應一個實例）的對象的訪問。
例如：在事務中，connection綁定到當前線程來保證這個線程中的數據庫操作用的是同一個connection。
ThreadLocal的demo
public class ThreadLocalTest {
public static void main(String[] args) {
ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
threadLocal.set("張三");
new Thread(()->{
threadLocal.set("李四");
System.out.println("*******"+Thread.currentThread().getName()+"獲取到的數據"+threadLocal.get());
},"線程1").start();
new Thread(()->{
threadLocal.set("王二");
System.out.println("*******"+Thread.currentThread().getName()+"獲取到的數據"+threadLocal.get());
},"線程2").start();
new Thread(()->{
System.out.println("*******"+Thread.currentThread().getName()+"獲取到的數據"+threadLocal.get());
},"線程3").start();
System.out.println("線程=" + Thread.currentThread().getName() + "獲取到的數據=" + threadLocal.get());
}
}
運行結果：
從運行結果，我們可以看出線程1和線程2在ThreadLocal中設置的值相互獨立，每個線程只能取到自己設置的那個值。
TheadLocal的源碼解析
ThreadLocal存儲數據的邏輯是：每個線程持有一個自己的ThreadLocalMap,key為ThreadLocal對象的實例，value 是我們需要設值的值。
ThreadLocal的set方法
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
getMap的方法如下：
public class Thread implements Runnable {
//每個線程自己的ThreadLocalMap對象通過ThreadLocal保存下來
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}
}
首先獲取當前線程的ThreadLocalMap對象，該對象是通過實例變量threadLocals保存的。
2. 如果獲取得到ThreadLocalMap，則直接設值，key為當前ThreadLocal類的this實例，如果獲取不到調用createMap方法創(chuàng)建ThreadLoalMap實例，并將值設置到這個ThreadLocalMap中，后面我們會重點介紹ThreadLocal的createMap方法。
接下來我們就來看看ThreadLocal的get方法。
ThreadLocal的get方法
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();
}
1.首先獲取當前線程的ThreadLocalMap對象，沒有的話，設置初始值（null）并返回
2. 如果可以獲取到ThreadLocalMap 則獲取其Entry對象，如果不為空則直接返回value
說完了ThreadLocal的set方法和get方法。我就來具體看看前面提到的ThreadLocalMap。
ThreadLocalMap的結構
public class ThreadLocal<T> {
private static AtomicInteger nextHashCode =new AtomicInteger();
//初始的Hash值是0x61c88647
private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
//每次調用就原子性的將hash值增加HASH_INCREMENT
private static int nextHashCode() {
return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}
static class ThreadLocalMap {
//Entry繼承WeakReference
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
private void setThreshold(int len) {
threshold = len * 2 / 3;
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
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);
}
}
}
如上，ThreadLocalMap作為ThreadLocal的靜態(tài)內部類，由ThreadLocal所持有，每個線程內部通過ThreadLocal來獲取自己的ThreadLocalMap實例。結構如下圖所示：
從上述代碼我們可以看出ThreadLocalMap實際上沒有繼承Map接口，其只是一個可擴展的散列表結構。初始大小是16。大于等于數據的1/2 的時候會擴容為2倍的原數組的rehash。初始的hashCode值為0x61c88647。每創(chuàng)建一個Entry對象，hash值就會增加一個固定大小0x61c88647。同時，我們注意到，ThreadLocalMap的Entry是繼承WeakReference,和HashMap很大的區(qū)別是，Entry中沒有next字段，所以不存在鏈表的情況。那么沒有鏈表結構，發(fā)生hash沖突了怎么辦呢？要解答這個問題就需要看看ThreadLocalMap的set方法了。
ThreadLocalMap的set方法
private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
//1.根據ThreadLocal對象的hash值，定位到table中的位置i
int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
for (Entry e = tab[i];
e != null;
e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
//判斷Entry.key等于當前的ThreadLoacl對象key，則覆蓋舊值，退出。
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();
}
前面我們提到了每個ThreadLocal對象都有一個hash值threadLocalHashCode，每創(chuàng)建一個Entry對象，hash值就增加一個固定的大小0x61c88647。
1.根據ThreadLocal對象的hash值，定位到table中的位置i
2.如果table[i]的Entry不為null
2.1. 判斷Entry.key等于當前的ThreadLoacl對象key，則覆蓋舊值，退出。
2.2. 如果Entry.key為null,將執(zhí)行刪除兩個null 槽之間的所有過期的stale的entry，
并把當前的位置i上初始化一個Entry對象，退出
2.3 繼續(xù)查找下一個位置i++
3.如果找到了一個位置k,table[k]為null,初始化一個Entry對象。
ThreadLocalMap的getEntry方法
private Entry getEntry(ThreadLocal<?> key) {
int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
Entry e = table[i];
if (e != null && e.get() == key)
return e;
else
return getEntryAfterMiss(key, i, e);
}
private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal<?> key, int i, Entry e) {
Entry[] tab = table;
int len = tab.length;
while (e != null) {
ThreadLocal<?> k = e.get();
if (k == key)
return e;
if (k == null)
expungeStaleEntry(i);
else
i = nextIndex(i, len);
e = tab[i];
}
return null;
}
- 根據當前ThreadLocal的hashCode mod table.length，計算直接索引的位置i，如果e不為null并且key相同則返回e。
- 如果e為null，返回null
- 如果e不為空且key不相同，則查找下一個位置，繼續(xù)查找比較，直到e為null退出
- 在查找的過程中如果發(fā)現e不為空，且e的k為空的話，刪除當前槽和下一個null槽之間的所有過期entry對象。
總結ThreadLocalMap： - ThreadLocalMap的散列表采用開放地址，線性探測的方法處理hash沖突，在hash沖突較大的時候效率低下，因為ThreadLoaclMap是一個Thread的一個屬性，所以即使在自己的代碼中控制設置的元素個數，但還是不能控制其他代碼的行為。
- ThreadLocalMap的set、get、remove操作中都帶有刪除過期元素的操作，類似緩存的lazy淘汰。
ThreadLocal的內存泄露
ThreadLocal可能導致內存泄露，為什么？先看看Entry的實現：
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
通過之前的分析我們已經知道，當使用ThreadLocal保存一個value時，會在ThreadLoalMap中的數組插入一個Entry對象，按理來說key-value都可以以強引用保存在Entry對象中，但在ThreadLocalMap的實現中，key被保存到了WeakReference對象（弱引用）中，即ThreadLocalMap弱引用ThreadLocal。
Key的引用鏈是
ThreadLocalRef---->ThreadLocal，
這就導致了一個問題，當一個ThreadLocal沒有強引用時，threadLocal會被GC清理，會形成一個key為null的Map的引用。
但是value是強引用的，只有當當前線程結束了value的強引用才會結束，但線程遲遲未結束時，就會出現
ThreadRef---->Thread---->ThreadLocalMap—>Entry—>value這條強引用鏈條。
廢棄threadLocal占用的內存會在三種情況下清理：
- thread結束，那么與之相關的threadlocal value會被清理
- GC后，thread.threadLocal(map) 的threadhold超過最大值時，會清理
- GC后，thread.threadlocals(maps)添加新的Entry時，hash算法沒有命中既有Entry時，會清理
那么何時會“內存泄漏”？當Thread長時間不結束，存在大量廢棄的ThreadLocal，而又不再添加新的ThreadLocal時。
如何避免內存泄露呢
在調用ThreadLocal的get()、set()可能會清除ThreadLocalMap中key為null的Entry對象，這樣對應的value就沒有GC Roots可達了，下次GC的時候就可以被回收，當然如果調用remove方法，肯定會刪除對應的Entry對象。
ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
try {
threadLocal.set("張三");
} catch (Exception e) {
threadLocal.remove();
}
應用實例
public class DateUtil {
private final static Map<String, ThreadLocal<SimpleDateFormat>> sdfMap = new HashMap<>();
public final static String Y2M2D2HMS_ = "yyyy/MM/dd HH:mm:ss";
private static SimpleDateFormat getsdf(final String pattern) {
ThreadLocal<SimpleDateFormat> sdfThread = sdfMap.get(pattern);
if (sdfThread == null) {
//雙重檢驗,防止sdfMap被多次put進去值,和雙重鎖單例原因是一樣的
synchronized (DateUtil.class) {
// 只有Map中還沒有這個pattern的sdf才會生成新的sdf并放入map
// 這里是關鍵,使用ThreadLocal<SimpleDateFormat>替代原來直接new SimpleDateFormat
sdfThread = sdfMap.get(pattern);
if (sdfThread == null) {
sdfThread = ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat(pattern));
sdfMap.put(pattern, sdfThread);
}
}
}
return sdfThread.get();
}
/**
* @param date 需要格式化的date
* @param pattern 給定轉換格式
* @return java.lang.String 時間串
* @description 按照指定pattern的方式格式化時間
*/
public static String formatDate(Date date, String pattern) {
return DateUtil.getsdf(pattern).format(date);
}
}
SimpleDateFormat是線程不安全的類，同時創(chuàng)建一個SimpleDateFormat類又比較耗時，所以，我們可以將SimpleDateFormat類放在ThreadLocal包裝起來。然后，根據日期格式化的類型作為key放入一個靜態(tài)的map中。
實際應用二
private static ThreadLocal<DecimalFormat> DECIMAL_FORMAT_THREAD_LOCAL = ThreadLocal.withInitial(() -> new DecimalFormat(DECIMAL_FORMAT));
/**
* 獲取金額格式化的類
* @return
*/
public static DecimalFormat getDecimalFormat() {
return DECIMAL_FORMAT_THREAD_LOCAL.get();
}
我們可以將金額格式化的類DecimalFormat保存到ThreadLocal中。
總結
本文簡單的介紹了ThreadLocal的應用場景，其主要用在需要每個線程獨占的元素上，例如SimpleDateFormat。然后，就是介紹了ThreadLocal的實現原理，詳細介紹了set()和get()方法，介紹了ThreadeLocalMap的數據結構，最后就是說到了ThreadLocal的內存泄露以及避免的方式。
到此這篇關于Java ThreadLocal原理解析以及應用場景分析案例詳解的文章就介紹到這了,更多相關Java ThreadLocal原理解析以及應用場景內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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