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Java中的ThreadLocal詳解

 更新時(shí)間:2021年09月25日 15:10:23   作者:夏末秋涼  
THreadLocalMap中的Entry的key使用的是ThreadLocal對(duì)象的弱引用,在沒(méi)有其他地方對(duì)ThreadLoca依賴,ThreadLocalMap中的ThreadLocal對(duì)象就會(huì)被回收掉,但是對(duì)應(yīng)的不會(huì)被回收,具體內(nèi)容請(qǐng)和小編一起看下面文章詳情

一、ThreadLocal簡(jiǎn)介

  多線程訪問(wèn)同一個(gè)共享變量的時(shí)候容易出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題,特別是多個(gè)線程對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行寫(xiě)入的時(shí)候,為了保證線程安全,一般使用者在訪問(wèn)共享變量的時(shí)候需要進(jìn)行額外的同步措施才能保證線程安全性。ThreadLocal是除了加鎖這種同步方式之外的一種保證一種規(guī)避多線程訪問(wèn)出現(xiàn)線程不安全的方法,當(dāng)我們?cè)趧?chuàng)建一個(gè)變量后,如果每個(gè)線程對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)的時(shí)候訪問(wèn)的都是線程自己的變量這樣就不會(huì)存在線程不安全問(wèn)題。

  ThreadLocal是JDK包提供的,它提供線程本地變量,如果創(chuàng)建一樂(lè)ThreadLocal變量,那么訪問(wèn)這個(gè)變量的每個(gè)線程都會(huì)有這個(gè)變量的一個(gè)副本,在實(shí)際多線程操作的時(shí)候,操作的是自己本地內(nèi)存中的變量,從而規(guī)避了線程安全問(wèn)題,如下圖所示

二、ThreadLocal簡(jiǎn)單使用

  下面的例子中,開(kāi)啟兩個(gè)線程,在每個(gè)線程內(nèi)部設(shè)置了本地變量的值,然后調(diào)用print方法打印當(dāng)前本地變量的值。如果在打印之后調(diào)用本地變量的remove方法會(huì)刪除本地內(nèi)存中的變量,代碼如下所示

1 package test;
 2 
 3 public class ThreadLocalTest {
 4 
 5     static ThreadLocal<String> localVar = new ThreadLocal<>();
 6 
 7     static void print(String str) {
 8         //打印當(dāng)前線程中本地內(nèi)存中本地變量的值
 9         System.out.println(str + " :" + localVar.get());
10         //清除本地內(nèi)存中的本地變量
11         localVar.remove();
12     }
13 
14     public static void main(String[] args) {
15         Thread t1  = new Thread(new Runnable() {
16             @Override
17             public void run() {
18                 //設(shè)置線程1中本地變量的值
19                 localVar.set("localVar1");
20                 //調(diào)用打印方法
21                 print("thread1");
22                 //打印本地變量
23                 System.out.println("after remove : " + localVar.get());
24             }
25         });
26 
27         Thread t2  = new Thread(new Runnable() {
28             @Override
29             public void run() {
30                 //設(shè)置線程1中本地變量的值
31                 localVar.set("localVar2");
32                 //調(diào)用打印方法
33                 print("thread2");
34                 //打印本地變量
35                 System.out.println("after remove : " + localVar.get());
36             }
37         });
38 
39         t1.start();
40         t2.start();
41     }
42 }

 下面是運(yùn)行后的結(jié)果:

三、ThreadLocal的實(shí)現(xiàn)原理

  下面是ThreadLocal的類圖結(jié)構(gòu)

從圖中可知:Thread類中有兩個(gè)變量threadLocalsinheritableThreadLocals,二者都是ThreadLocal內(nèi)部類ThreadLocalMap類型的變量,我們通過(guò)查看內(nèi)部?jī)?nèi)ThreadLocalMap可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際上它類似于一個(gè)HashMap。在默認(rèn)情況下,每個(gè)線程中的這兩個(gè)變量都為null,只有當(dāng)線程第一次調(diào)用ThreadLocal的set或者get方法的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建他們(后面我們會(huì)查看這兩個(gè)方法的源碼)。除此之外,和我所想的不同的是,每個(gè)線程的本地變量不是存放在ThreadLocal實(shí)例中,而是放在調(diào)用線程的ThreadLocals變量里面(前面也說(shuō)過(guò),該變量是Thread類的變量)。也就是說(shuō),ThreadLocal類型的本地變量是存放在具體的線程空間上,其本身相當(dāng)于一個(gè)裝載本地變量的工具殼,通過(guò)set方法將value添加到調(diào)用線程的threadLocals中,當(dāng)調(diào)用線程調(diào)用get方法時(shí)候能夠從它的threadLocals中取出變量。如果調(diào)用線程一直不終止,那么這個(gè)本地變量將會(huì)一直存放在他的threadLocals中,所以不使用本地變量的時(shí)候需要調(diào)用remove方法將threadLocals中刪除不用的本地變量。下面我們通過(guò)查看ThreadLocal的set、get以及remove方法來(lái)查看ThreadLocal具體實(shí)怎樣工作的

1、set方法源碼

 1 public void set(T value) {
 2     //(1)獲取當(dāng)前線程(調(diào)用者線程)
 3     Thread t = Thread.currentThread();
 4     //(2)以當(dāng)前線程作為key值,去查找對(duì)應(yīng)的線程變量,找到對(duì)應(yīng)的map
 5     ThreadLocalMap map = getMap(t);
 6     //(3)如果map不為null,就直接添加本地變量,key為當(dāng)前定義的ThreadLocal變量的this引用,值為添加的本地變量值
 7     if (map != null)
 8         map.set(this, value);
 9     //(4)如果map為null,說(shuō)明首次添加,需要首先創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的map
10     else
11         createMap(t, value);
12 }

  在上面的代碼中,(2)處調(diào)用getMap方法獲得當(dāng)前線程對(duì)應(yīng)的threadLocals(參照上面的圖示和文字說(shuō)明),該方法代碼如下

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals; //獲取線程自己的變量threadLocals,并綁定到當(dāng)前調(diào)用線程的成員變量threadLocals上
}


  如果調(diào)用getMap方法返回值不為null,就直接將value值設(shè)置到threadLocals中(key為當(dāng)前線程引用,值為本地變量);如果getMap方法返回null說(shuō)明是第一次調(diào)用set方法(前面說(shuō)到過(guò),threadLocals默認(rèn)值為null,只有調(diào)用set方法的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建map),這個(gè)時(shí)候就需要調(diào)用createMap方法創(chuàng)建threadLocals,該方法如下所示

1 void createMap(Thread t, T firstValue) {
2     t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
3 }


  createMap方法不僅創(chuàng)建了threadLocals,同時(shí)也將要添加的本地變量值添加到了threadLocals中。

2、get方法源碼

  在get方法的實(shí)現(xiàn)中,首先獲取當(dāng)前調(diào)用者線程,如果當(dāng)前線程的threadLocals不為null,就直接返回當(dāng)前線程綁定的本地變量值,否則執(zhí)行setInitialValue方法初始化threadLocals變量。在setInitialValue方法中,類似于set方法的實(shí)現(xiàn),都是判斷當(dāng)前線程的threadLocals變量是否為null,是則添加本地變量(這個(gè)時(shí)候由于是初始化,所以添加的值為null),否則創(chuàng)建threadLocals變量,同樣添加的值為null。

1 public T get() {
 2     //(1)獲取當(dāng)前線程
 3     Thread t = Thread.currentThread();
 4     //(2)獲取當(dāng)前線程的threadLocals變量
 5     ThreadLocalMap map = getMap(t);
 6     //(3)如果threadLocals變量不為null,就可以在map中查找到本地變量的值
 7     if (map != null) {
 8         ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
 9         if (e != null) {
10             @SuppressWarnings("unchecked")
11             T result = (T)e.value;
12             return result;
13         }
14     }
15     //(4)執(zhí)行到此處,threadLocals為null,調(diào)用該更改初始化當(dāng)前線程的threadLocals變量
16     return setInitialValue();
17 }
18 
19 private T setInitialValue() {
20     //protected T initialValue() {return null;}
21     T value = initialValue();
22     //獲取當(dāng)前線程
23     Thread t = Thread.currentThread();
24     //以當(dāng)前線程作為key值,去查找對(duì)應(yīng)的線程變量,找到對(duì)應(yīng)的map
25     ThreadLocalMap map = getMap(t);
26     //如果map不為null,就直接添加本地變量,key為當(dāng)前線程,值為添加的本地變量值
27     if (map != null)
28         map.set(this, value);
29     //如果map為null,說(shuō)明首次添加,需要首先創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的map
30     else
31         createMap(t, value);
32     return value;
33 }

3、remove方法的實(shí)現(xiàn)

  remove方法判斷該當(dāng)前線程對(duì)應(yīng)的threadLocals變量是否為null,不為null就直接刪除當(dāng)前線程中指定的threadLocals變量

1  public void remove() {
2     //獲取當(dāng)前線程綁定的threadLocals
3      ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
4      //如果map不為null,就移除當(dāng)前線程中指定ThreadLocal實(shí)例的本地變量
5      if (m != null)
6          m.remove(this);
7  }

如下圖所示:每個(gè)線程內(nèi)部有一個(gè)名為threadLocals的成員變量,該變量的類型為ThreadLocal.ThreadLocalMap類型(類似于一個(gè)HashMap),其中的key為當(dāng)前定義的ThreadLocal變量的this引用,value為我們使用set方法設(shè)置的值。每個(gè)線程的本地變量存放在自己的本地內(nèi)存變量threadLocals中,如果當(dāng)前線程一直不消亡,那么這些本地變量就會(huì)一直存在(所以可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存溢出),因此使用完畢需要將其remove掉。

四、ThreadLocal不支持繼承性

  同一個(gè)ThreadLocal變量在父線程中被設(shè)置值后,在子線程中是獲取不到的。(threadLocals中為當(dāng)前調(diào)用線程對(duì)應(yīng)的本地變量,所以二者自然是不能共享的)

 1 package test;
 2 
 3 public class ThreadLocalTest2 {
 4 
 5     //(1)創(chuàng)建ThreadLocal變量
 6     public static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
 7 
 8     public static void main(String[] args) {
 9         //在main線程中添加main線程的本地變量
10         threadLocal.set("mainVal");
11         //新創(chuàng)建一個(gè)子線程
12         Thread thread = new Thread(new Runnable() {
13             @Override
14             public void run() {
15                 System.out.println("子線程中的本地變量值:"+threadLocal.get());
16             }
17         });
18         thread.start();
19         //輸出main線程中的本地變量值
20         System.out.println("mainx線程中的本地變量值:"+threadLocal.get());
21     }
22 }

五、InheritableThreadLocal類

  在上面說(shuō)到的ThreadLocal類是不能提供子線程訪問(wèn)父線程的本地變量的,而InheritableThreadLocal類則可以做到這個(gè)功能,下面是該類的源碼

 1 public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
 2     
 3     protected T childValue(T parentValue) {
 4         return parentValue;
 5     }
 6 
 7     ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
 8        return t.inheritableThreadLocals;
 9     }
10 
11     void createMap(Thread t, T firstValue) {
12         t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
13     }
14 }

  從上面代碼可以看出,InheritableThreadLocal類繼承了ThreadLocal類,并重寫(xiě)了childValue、getMap、createMap三個(gè)方法。其中createMap方法在被調(diào)用(當(dāng)前線程調(diào)用set方法時(shí)得到的map為null的時(shí)候需要調(diào)用該方法)的時(shí)候,創(chuàng)建的是inheritableThreadLocal而不是threadLocals。同理,getMap方法在當(dāng)前調(diào)用者線程調(diào)用get方法的時(shí)候返回的也不是threadLocals而是inheritableThreadLocal。

  下面我們看看重寫(xiě)的childValue方法在什么時(shí)候執(zhí)行,怎樣讓子線程訪問(wèn)父線程的本地變量值。我們首先從Thread類開(kāi)始說(shuō)起

 1 private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
 2                   long stackSize) {
 3     init(g, target, name, stackSize, null, true);
 4 }
 5 private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
 6                   long stackSize, AccessControlContext acc,
 7                   boolean inheritThreadLocals) {
 8     //判斷名字的合法性
 9     if (name == null) {
10         throw new NullPointerException("name cannot be null");
11     }
12 
13     this.name = name;
14     //(1)獲取當(dāng)前線程(父線程)
15     Thread parent = currentThread();
16     //安全校驗(yàn)
17     SecurityManager security = System.getSecurityManager();
18     if (g == null) { //g:當(dāng)前線程組
19         if (security != null) {
20             g = security.getThreadGroup();
21         }
22         if (g == null) {
23             g = parent.getThreadGroup();
24         }
25     }
26     g.checkAccess();
27     if (security != null) {
28         if (isCCLOverridden(getClass())) {
29             security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
30         }
31     }
32 
33     g.addUnstarted();
34 
35     this.group = g; //設(shè)置為當(dāng)前線程組
36     this.daemon = parent.isDaemon();//守護(hù)線程與否(同父線程)
37     this.priority = parent.getPriority();//優(yōu)先級(jí)同父線程
38     if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
39         this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
40     else
41         this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
42     this.inheritedAccessControlContext =
43             acc != null ? acc : AccessController.getContext();
44     this.target = target;
45     setPriority(priority);
46     //(2)如果父線程的inheritableThreadLocal不為null
47     if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
48         //(3)設(shè)置子線程中的inheritableThreadLocals為父線程的inheritableThreadLocals
49         this.inheritableThreadLocals =
50             ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
51     this.stackSize = stackSize;
52 
53     tid = nextThreadID();
54 }

  在init方法中,首先(1)處獲取了當(dāng)前線程(父線程),然后(2)處判斷當(dāng)前父線程的inheritableThreadLocals是否為null,然后調(diào)用createInheritedMap將父線程的inheritableThreadLocals作為構(gòu)造函數(shù)參數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)新的ThreadLocalMap變量,然后賦值給子線程。下面是createInheritedMap方法和ThreadLocalMap的構(gòu)造方法

 1 static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
 2     return new ThreadLocalMap(parentMap);
 3 }
 4 
 5 private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
 6     Entry[] parentTable = parentMap.table;
 7     int len = parentTable.length;
 8     setThreshold(len);
 9     table = new Entry[len];
10 
11     for (int j = 0; j < len; j++) {
12         Entry e = parentTable[j];
13         if (e != null) {
14             @SuppressWarnings("unchecked")
15             ThreadLocal<Object> key = (ThreadLocal<Object>) e.get();
16             if (key != null) {
17                 //調(diào)用重寫(xiě)的方法
18                 Object value = key.childValue(e.value);
19                 Entry c = new Entry(key, value);
20                 int h = key.threadLocalHashCode & (len - 1);
21                 while (table[h] != null)
22                     h = nextIndex(h, len);
23                 table[h] = c;
24                 size++;
25             }
26         }
27     }
28 }

  在構(gòu)造函數(shù)中將父線程的inheritableThreadLocals成員變量的值賦值到新的ThreadLocalMap對(duì)象中。返回之后賦值給子線程的inheritableThreadLocals??傊?,InheritableThreadLocals類通過(guò)重寫(xiě)getMap和createMap兩個(gè)方法將本地變量保存到了具體線程的inheritableThreadLocals變量中,當(dāng)線程通過(guò)InheritableThreadLocals實(shí)例的set或者get方法設(shè)置變量的時(shí)候,就會(huì)創(chuàng)建當(dāng)前線程的inheritableThreadLocals變量。而父線程創(chuàng)建子線程的時(shí)候,ThreadLocalMap中的構(gòu)造函數(shù)會(huì)將父線程的inheritableThreadLocals中的變量復(fù)制一份到子線程的inheritableThreadLocals變量中。

六、從ThreadLocalMap看ThreadLocal使用不當(dāng)?shù)膬?nèi)存泄漏問(wèn)題

1、基礎(chǔ)概念

  首先我們先看看ThreadLocalMap的類圖,在前面的介紹中,我們知道ThreadLocal只是一個(gè)工具類,他為用戶提供get、set、remove接口操作實(shí)際存放本地變量的threadLocals(調(diào)用線程的成員變量),也知道threadLocals是一個(gè)ThreadLocalMap類型的變量,下面我們來(lái)看看ThreadLocalMap這個(gè)類。在此之前,我們回憶一下Java中的四種引用類型,相關(guān)GC只是參考前面系列的文章(JVM相關(guān))

①?gòu)?qiáng)引用:Java中默認(rèn)的引用類型,一個(gè)對(duì)象如果具有強(qiáng)引用那么只要這種引用還存在就不會(huì)被GC。

②軟引用:簡(jiǎn)言之,如果一個(gè)對(duì)象具有弱引用,在JVM發(fā)生OOM之前(即內(nèi)存充足夠使用),是不會(huì)GC這個(gè)對(duì)象的;只有到JVM內(nèi)存不足的時(shí)候才會(huì)GC掉這個(gè)對(duì)象。軟引用和一個(gè)引用隊(duì)列聯(lián)合使用,如果軟引用所引用的對(duì)象被回收之后,該引用就會(huì)加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中

③弱引用(這里討論ThreadLocalMap中的Entry類的重點(diǎn)):如果一個(gè)對(duì)象只具有弱引用,那么這個(gè)對(duì)象就會(huì)被垃圾回收器GC掉(被弱引用所引用的對(duì)象只能生存到下一次GC之前,當(dāng)發(fā)生GC時(shí)候,無(wú)論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠,弱引用所引用的對(duì)象都會(huì)被回收掉)。弱引用也是和一個(gè)引用隊(duì)列聯(lián)合使用,如果弱引用的對(duì)象被垃圾回收期回收掉,JVM會(huì)將這個(gè)引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。若引用的對(duì)象可以通過(guò)弱引用的get方法得到,當(dāng)引用的對(duì)象唄回收掉之后,再調(diào)用get方法就會(huì)返回null

④虛引用:虛引用是所有引用中最弱的一種引用,其存在就是為了將關(guān)聯(lián)虛引用的對(duì)象在被GC掉之后收到一個(gè)通知。(不能通過(guò)get方法獲得其指向的對(duì)象)

 2、分析ThreadLocalMap內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

  上面我們知道ThreadLocalMap內(nèi)部實(shí)際上是一個(gè)Entry數(shù)組,我們先看看Entry的這個(gè)內(nèi)部類

 1 /**
 2  * 是繼承自WeakReference的一個(gè)類,該類中實(shí)際存放的key是
 3  * 指向ThreadLocal的弱引用和與之對(duì)應(yīng)的value值(該value值
 4  * 就是通過(guò)ThreadLocal的set方法傳遞過(guò)來(lái)的值)
 5  * 由于是弱引用,當(dāng)get方法返回null的時(shí)候意味著坑能引用
 6  */
 7 static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
 8     /** value就是和ThreadLocal綁定的 */
 9     Object value;
10 
11     //k:ThreadLocal的引用,被傳遞給WeakReference的構(gòu)造方法
12     Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
13         super(k);
14         value = v;
15     }
16 }
17 //WeakReference構(gòu)造方法(public class WeakReference<T> extends Reference<T> )
18 public WeakReference(T referent) {
19     super(referent); //referent:ThreadLocal的引用
20 }
21 
22 //Reference構(gòu)造方法     
23 Reference(T referent) {
24     this(referent, null);//referent:ThreadLocal的引用
25 }
26 
27 Reference(T referent, ReferenceQueue<? super T> queue) {
28     this.referent = referent;
29     this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;
30 }

  在上面的代碼中,我們可以看出,當(dāng)前ThreadLocal的引用k被傳遞給WeakReference的構(gòu)造函數(shù),所以ThreadLocalMap中的key為ThreadLocal的弱引用。當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用ThreadLocal的set方法設(shè)置變量的時(shí)候,當(dāng)前線程的ThreadLocalMap就會(huì)存放一個(gè)記錄,這個(gè)記錄的key值為ThreadLocal的弱引用,value就是通過(guò)set設(shè)置的值。如果當(dāng)前線程一直存在且沒(méi)有調(diào)用該ThreadLocal的remove方法,如果這個(gè)時(shí)候別的地方還有對(duì)ThreadLocal的引用,那么當(dāng)前線程中的ThreadLocalMap中會(huì)存在對(duì)ThreadLocal變量的引用和value對(duì)象的引用,是不會(huì)釋放的,就會(huì)造成內(nèi)存泄漏。

  考慮這個(gè)ThreadLocal變量沒(méi)有其他強(qiáng)依賴,如果當(dāng)前線程還存在,由于線程的ThreadLocalMap里面的key是弱引用,所以當(dāng)前線程的ThreadLocalMap里面的ThreadLocal變量的弱引用在gc的時(shí)候就被回收,但是對(duì)應(yīng)的value還是存在的這就可能造成內(nèi)存泄漏(因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候ThreadLocalMap會(huì)存在key為null但是value不為null的entry項(xiàng))。

THreadLocalMap中的Entry的key使用的是ThreadLocal對(duì)象的弱引用,在沒(méi)有其他地方對(duì)ThreadLoca依賴,ThreadLocalMap中的ThreadLocal對(duì)象就會(huì)被回收掉,但是對(duì)應(yīng)的不會(huì)被回收,這個(gè)時(shí)候Map中就可能存在key為null但是value不為null的項(xiàng),這需要實(shí)際的時(shí)候使用完畢及時(shí)調(diào)用remove方法避免內(nèi)存泄漏。

到此這篇關(guān)于Java中的ThreadLocal詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java中的ThreadLocal內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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