ThreadLocal夺命11连问

前一段时间，有同事使用ThreadLocal踩坑了，正好引起了我的兴趣。,所以近期，我抽空把ThreadLocal的源码再研究了一下，越看越有意思，发现里面的东西还真不少。,我把精华浓缩了一下，汇集成了下面11个问题，看看你能顶住第几个?,并发编程是一项非常重要的技术，它让我们的程序变得更加高效。,但在并发的场景中，如果有多个线程同时修改公共变量，可能会出现线程安全问题，即该变量最终结果可能出现异常。,为了解决线程安全问题，JDK出现了很多技术手段，比如：使用synchronized或Lock，给访问公共资源的代码上锁，保证了代码的原子性。,但在高并发的场景中，如果多个线程同时竞争一把锁，这时会存在大量的锁等待，可能会浪费很多时间，让系统的响应时间一下子变慢。,因此，JDK还提供了另外一种用空间换时间的新思路：ThreadLocal。,它的核心思想是：共享变量在每个线程都有一个副本，每个线程操作的都是自己的副本，对另外的线程没有影响。,例如：,为了搞清楚ThreadLocal的底层实现原理，我们不得不扒一下源码。,ThreadLocal的内部有一个静态的内部类叫：ThreadLocalMap。,ThreadLocal的get方法、set方法和setInitialValue方法，其实最终操作的都是ThreadLocalMap类中的数据。,其中ThreadLocalMap类的内部如下：,ThreadLocalMap里面包含一个静态的内部类Entry，该类继承于WeakReference类，说明Entry是一个弱引用。,ThreadLocalMap内部还包含了一个Entry数组，其中：Entry = ThreadLocal + value。,而ThreadLocalMap被定义成了Thread类的成员变量。,下面用一张图从宏观上，认识一下ThreadLocal的整体结构：,从上图中看出，在每个Thread类中，都有一个ThreadLocalMap的成员变量，该变量包含了一个Entry数组，该数组真正保存了ThreadLocal类set的数据。,Entry是由threadLocal和value组成，其中threadLocal对象是弱引用，在GC的时候，会被自动回收。而value就是ThreadLocal类set的数据。,下面用一张图总结一下引用关系：,上图中除了Entry的key对ThreadLocal对象是弱引用，其他的引用都是强引用。,需要特别说明的是，上图中ThreadLocal对象我画到了堆上，其实在实际的业务场景中不一定在堆上。因为如果ThreadLocal被定义成了static的，ThreadLocal的对象是类共用的，可能出现在方法区。,不知道你有没有思考过这样一个问题：ThreadLocalMap为什么要用ThreadLocal做key，而不是用Thread做key?,如果在你的应用中，一个线程中只使用了一个ThreadLocal对象，那么使用Thread做key也未尝不可。,但实际情况中，你的应用，一个线程中很有可能不只使用了一个ThreadLocal对象。这时使用Thread做key不就出有问题?,假如使用Thread做key时，你的代码中定义了3个ThreadLocal对象，那么，通过Thread对象，它怎么知道要获取哪个ThreadLocal对象呢?,如下图所示：,因此，不能使用Thread做key，而应该改成用ThreadLocal对象做key，这样才能通过具体ThreadLocal对象的get方法，轻松获取到你想要的ThreadLocal对象。,如下图所示：,前面说过，Entry的key，传入的是ThreadLocal对象，使用了WeakReference对象，即被设计成了弱引用。,那么，为什么要这样设计呢?,假如key对ThreadLocal对象的弱引用，改为强引用。,我们都知道ThreadLocal变量对ThreadLocal对象是有强引用存在的。,即使ThreadLocal变量生命周期完了，设置成null了，但由于key对ThreadLocal还是强引用。,此时，如果执行该代码的线程使用了线程池，一直长期存在，不会被销毁。,就会存在这样的强引用链：Thread变量 -> Thread对象 -> ThreadLocalMap -> Entry -> key -> ThreadLocal对象。,那么，ThreadLocal对象和ThreadLocalMap都将不会被GC回收，于是产生了内存泄露问题。,为了解决这个问题，JDK的开发者们把Entry的key设计成了弱引用。,弱引用的对象，在GC做垃圾清理的时候，就会被自动回收了。,如果key是弱引用，当ThreadLocal变量指向null之后，在GC做垃圾清理的时候，key会被自动回收，其值也被设置成null。,如下图所示：,接下来，最关键的地方来了。,由于当前的ThreadLocal变量已经被指向null了，但如果直接调用它的get、set或remove方法，很显然会出现空指针异常。因为它的生命已经结束了，再调用它的方法也没啥意义。,此时，如果系统中还定义了另外一个ThreadLocal变量b，调用了它的get、set或remove，三个方法中的任何一个方法，都会自动触发清理机制，将key为null的value值清空。,如果key和value都是null，那么Entry对象会被GC回收。如果所有的Entry对象都被回收了，ThreadLocalMap也会被回收了。,这样就能最大程度的解决内存泄露问题。,需要特别注意的地方是：,下面看看弱引用的例子：,打印结果：,传入WeakReference构造方法的是直接new处理的对象，没有其他引用，在调用gc方法后，弱引用对象会被自动回收。,但如果出现下面这种情况：,执行结果：,先定义了一个强引用object对象，在WeakReference构造方法中将object对象的引用作为参数传入。这时，调用gc后，弱引用对象不会被自动回收。,我们的Entry对象中的key不就是第二种情况吗?在Entry构造方法中传入的是ThreadLocal对象的引用。,如果将object强引用设置为null：,执行结果：,第二次gc之后，弱引用能够被正常回收。,由此可见，如果强引用和弱引用同时关联一个对象，那么这个对象是不会被GC回收。也就是说这种情况下Entry的key，一直都不会为null，除非强引用主动断开关联。,此外，你可能还会问这样一个问题：Entry的value为什么不设计成弱引用?,答：Entry的value不只是被Entry引用，有可能被业务系统中的很多地方引用了。如果value改成了弱引用，被GC贸然回收了(数据突然没了)，可能会导致业务系统出现异常。,而相比之下，Entry的key，引用的地方就非常明确了。,这就是Entry的key被设计成弱引用，而value没被设计成弱引用的原因。,通过上面的Entry对象中的key设置成弱引用，并且使用get、set或remove方法清理key为null的value值，就能彻底解决内存泄露问题?,答案是否定的。,如下图所示：,假如ThreadLocalMap中存在很多key为null的Entry，但后面的程序，一直都没有调用过有效的ThreadLocal的get、set或remove方法。,那么，Entry的value值一直都没被清空。,所以会存在这样一条强引用链：Thread变量 -> Thread对象 -> ThreadLocalMap -> Entry -> value -> Object。,其结果就是：Entry和ThreadLocalMap将会长期存在下去，会导致内存泄露。,前面说过的ThreadLocal还是会导致内存泄露的问题，我们有没有解决办法呢?,答：有办法，调用ThreadLocal对象的remove方法。,不是在一开始就调用remove方法，而是在使用完ThreadLocal对象之后。列如：,先创建一个CurrentUser类，其中包含了ThreadLocal的逻辑。,然后在业务代码中调用相关方法：,需要我们特别注意的地方是：一定要在finally代码块中，调用remove方法清理没用的数据。如果业务代码出现异常，也能及时清理没用的数据。,remove方法中会把Entry中的key和value都设置成null，这样就能被GC及时回收，无需触发额外的清理机制，所以它能解决内存泄露问题。,前面说过ThreadLocalMap对象底层是用Entry数组保存数据的。,那么问题来了，ThreadLocal是如何定位Entry数组数据的?,在ThreadLocal的get、set、remove方法中都有这样一行代码：,通过key的hashCode值，与数组的长度减1。其中key就是ThreadLocal对象，与数组的长度减1，相当于除以数组的长度减1，然后取模。,这是一种hash算法。,接下来给大家举个例子：假设len=16，key.threadLocalHashCode=31，,于是： int i = 31 & 15 = 1,相当于：int i = 31 % 15 = 1,计算的结果是一样的，但是使用与运算效率跟高一些。,为什么与运算效率更高?,答：因为ThreadLocal的初始大小是16，每次都是按2倍扩容，数组的大小其实一直都是2的n次方。这种数据有个规律就是高位是0，低位都是1。在做与运算时，可以不用考虑高位，因为与运算的结果必定是0。只需考虑低位的与运算，所以效率更高。,如果使用hash算法定位具体位置的话，就可能会出现hash冲突的情况，即两个不同的hashCode取模后的值相同。,ThreadLocal是如何解决hash冲突的呢?,我们看看getEntry是怎么做的：,再看看getEntryAfterMiss方法：,关键看看nextIndex方法：,当通过hash算法计算出的下标小于数组大小，则将下标值加1。否则，即下标大于等于数组大小，下标变成0了。下标变成0之后，则循环一次，下标又变成1。。。,寻找的大致过程如下图所示：,如果找到最后一个，还是没有找到，则再从头开始找。,不知道你有没有发现，它构成了一个：环形。,ThreadLocal从数组中找数据的过程大致是这样的：,从上面得知，ThreadLocal的初始大小是16。那么问题来了，ThreadLocal是如何扩容的?,在set方法中会调用rehash方法：,注意一下，其中有个判断条件是：sz(之前的size+1)如果大于或等于threshold的话，则调用rehash方法。,threshold默认是0，在创建ThreadLocalMap时，调用它的构造方法：,调用setThreshold方法给threshold设置一个值，而这个值INITIAL_CAPACITY是默认的大小16。,也就是第一次设置的threshold = 16 * 2 / 3， 取整后的值是：10。,换句话说当sz大于等于10时，就可以考虑扩容了。,rehash代码如下：,在真正扩容之前，先尝试回收一次key为null的值，腾出一些空间。,如果回收之后的size大于等于threshold的3/4时，才需要真正的扩容。,计算公式如下：,也就是说添加数据后，新的size大于等于老size的1/2时，才需要扩容。,resize中每次都是按2倍的大小扩容。,扩容的过程如下图所示：,扩容的关键步骤如下：,前面介绍的ThreadLocal都是在一个线程中保存和获取数据的。,但在实际工作中，有可能是在父子线程中共享数据的。即在父线程中往ThreadLocal设置了值，在子线程中能够获取到。,例如：,执行结果：,你会发现，在这种情况下使用ThreadLocal是行不通的。main方法是在主线程中执行的，相当于父线程。在main方法中开启了另外一个线程，相当于子线程。,显然通过ThreadLocal，无法在父子线程中共享数据。,那么，该怎么办呢?,答：使用InheritableThreadLocal，它是JDK自带的类，继承了ThreadLocal类。,修改代码之后：,执行结果：,果然，在换成InheritableThreadLocal之后，在子线程中能够正常获取父线程中设置的值。,其实，在Thread类中除了成员变量threadLocals之外，还有另一个成员变量：inheritableThreadLocals。,Thread类的部分代码如下：,最关键的一点是，在它的init方法中会将父线程中往ThreadLocal设置的值，拷贝一份到子线程中。,感兴趣的小伙伴，可以找我私聊。或者看看我后面的文章，后面还会有专栏。,在真实的业务场景中，一般很少用单独的线程，绝大多数，都是用的线程池。,那么，在线程池中如何共享ThreadLocal对象生成的数据呢?,因为涉及到不同的线程，如果直接使用ThreadLocal，显然是不合适的。,我们应该使用InheritableThreadLocal，具体代码如下：,执行结果：,由于这个例子中使用了单例线程池，固定线程数是1。,第一次submit任务的时候，该线程池会自动创建一个线程。因为使用了InheritableThreadLocal，所以创建线程时，会调用它的init方法，将父线程中的inheritableThreadLocals数据复制到子线程中。所以我们看到，在主线程中将数据设置成6，第一次从线程池中获取了正确的数据6。,之后，在主线程中又将数据改成7，但在第二次从线程池中获取数据却依然是6。,因为第二次submit任务的时候，线程池中已经有一个线程了，就直接拿过来复用，不会再重新创建线程了。所以不会再调用线程的init方法，所以第二次其实没有获取到最新的数据7，还是获取的老数据6。,那么，这该怎么办呢?,答：使用TransmittableThreadLocal，它并非JDK自带的类，而是阿里巴巴开源jar包中的类。,可以通过如下pom文件引入该jar包：,代码调整如下：,执行结果：,我们看到，使用了TransmittableThreadLocal之后，第二次从线程中也能正确获取最新的数据7了。,nice。,如果你仔细观察这个例子，你可能会发现，代码中除了使用TransmittableThreadLocal类之外，还使用了TtlExecutors.getTtlExecutorService方法，去创建ExecutorService对象。,这是非常重要的地方，如果没有这一步，TransmittableThreadLocal在线程池中共享数据将不会起作用。,创建ExecutorService对象，底层的submit方法会TtlRunnable或TtlCallable对象。,以TtlRunnable类为例，它实现了Runnable接口，同时还实现了它的run方法：,这段代码的主要逻辑如下：,最后，一起聊聊ThreadLocal有哪些用途?,老实说，使用ThreadLocal的场景挺多的。,下面列举几个常见的场景：,等等，还有很多业务场景，这里就不一一列举了。,由于篇幅有限，今天的内容先分享到这里。希望你看了这篇文章，会有所收获。,接下来留几个问题给大家思考一下：