深入了解 ThreadLocal：原理及源碼解讀

引言

在多線程程式設計中，線程間資料的隔離和共享是一個重要的話題。ThreadLocal是Java提供的一種機制，用于在每個線程中建立獨立的變量副本，以實作線程間的資料隔離。本文将深入探讨ThreadLocal的原理和源碼解讀，幫助讀者更好地了解和應用這一機制。

I. ThreadLocal概述

A. 什麼是ThreadLocal？

ThreadLocal是Java中的一個線程級别的變量，每個線程都擁有一個獨立的ThreadLocal執行個體，可以在該執行個體上進行讀寫操作，而不會幹擾其他線程。每個ThreadLocal執行個體都儲存了一個線程獨享的變量副本，線程可以随時通路和修改這個副本，而不需要擔心線程安全問題。

B. ThreadLocal的作用和優勢

ThreadLocal的作用是為每個線程提供一個獨立的變量副本，解決了多線程環境下資料共享和競争的問題。通過使用ThreadLocal，我們可以避免使用鎖或其他同步機制來保護共享變量，進而提高程式的性能和可伸縮性。

ThreadLocal的優勢包括：

• 線程隔離：每個線程都擁有自己的變量副本，線程間互相獨立，互不幹擾。
• 線程安全：每個線程操作的是自己的變量副本，不存線上程安全問題。
• 性能提升：無需使用鎖或其他同步機制，減少了線程間的競争和阻塞，提高了程式的性能。

C. ThreadLocal的應用場景

ThreadLocal在多線程程式設計中有廣泛的應用場景，包括但不限于：

• 儲存使用者上下文資訊：在Web應用中，可以使用ThreadLocal儲存使用者的登入資訊、語言偏好等，友善在多個元件之間共享，而無需顯式傳遞參數。
• 資料庫連接配接管理：在資料庫連接配接池中，可以使用ThreadLocal來管理線程獨享的資料庫連接配接，避免了每次使用時的重複建立和銷毀。
• 事務管理：在事務管理中，可以使用ThreadLocal來存儲目前線程的事務上下文，確定事務的一緻性和隔離性。

II. ThreadLocal原了解析

A. 線程和線程局部變量的關系

在深入了解ThreadLocal之前，我們先來了解線程和線程局部變量之間的關系。每個線程都有自己的線程棧，線程棧中包含了局部變量。線程局部變量是線程棧中的一種特殊變量，它們的生命周期與線程的生命周期一緻，隻能被所屬線程通路。

B. ThreadLocal的工作原理

當我們使用ThreadLocal時，每個線程都有自己的ThreadLocal執行個體，用于存儲線程私有的資料。ThreadLocal内部通過一個ThreadLocalMap來實作，它是一個自定義的哈希表，用于存儲線程和對應的變量值。

1. 内部資料結構：ThreadLocalMap

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部資料結構，用于存儲線程私有的變量值。它是一個自定義的哈希表，内部以Entry數組的形式存儲鍵值對。每個Entry對象包含一個ThreadLocal鍵和對應的變量值。ThreadLocalMap的大小可以根據需要進行動态擴容。

1. get()方法的實作原理

當線程調用ThreadLocal的get()方法時，它會首先擷取目前線程的ThreadLocalMap執行個體，通過目前ThreadLocal對象作為鍵來查找對應的變量值。具體的步驟如下：

• 擷取目前線程：Thread currentThread = Thread.currentThread()
• 從目前線程擷取ThreadLocalMap：ThreadLocalMap map = getMap(currentThread)
• 如果存在ThreadLocalMap，則通過目前ThreadLocal對象作為鍵來擷取對應的變量值：Object value = map.get(this)
• 如果找到了對應的變量值，則傳回該值；如果沒有找到，則傳回null。

1. set()方法的實作原理

當線程調用ThreadLocal的set()方法時，它會首先擷取目前線程的ThreadLocalMap執行個體，然後使用目前ThreadLocal對象作為鍵，将傳入的變量值存儲到ThreadLocalMap中。具體的步驟如下：

• 擷取目前線程：Thread currentThread = Thread.currentThread()
• 從目前線程擷取ThreadLocalMap：ThreadLocalMap map = getMap(currentThread)
• 如果存在ThreadLocalMap，則使用目前ThreadLocal對象作為鍵，将傳入的變量值存儲到ThreadLocalMap中：map.set(this, value)
• 如果目前線程沒有ThreadLocalMap執行個體，會先建立一個新的ThreadLocalMap執行個體，并将其與目前線程關聯。

1. remove()方法的實作原理

當線程調用ThreadLocal的remove()方法時，它會首先擷取目前線程的ThreadLocalMap執行個體，然後使用目前ThreadLocal對象作為鍵來移除對應的變量值。具體的步驟如下：

• 擷取目前線程：Thread currentThread = Thread.currentThread()
• 從目前線程擷取ThreadLocalMap：ThreadLocalMap map = getMap(currentThread)
• 如果存在ThreadLocalMap，則使用目前ThreadLocal對象作為鍵來移除對應的變量值：map.remove(this)

這樣，每個線程都有自己獨立的ThreadLocalMap執行個體，可以通過ThreadLocal對象存儲和擷取線程私有的變量值。由于每個線程操作的都是自己的ThreadLocalMap，是以實作了線程之間的資料隔離，避免了線程安全問題。需要注意的是，在使用完ThreadLocal後，應該及時調用remove()方法進行清理，防止記憶體洩漏問題的發生。

C. ThreadLocal的記憶體洩漏問題及解決方法

ThreadLocal可能導緻記憶體洩漏的問題是由于其内部的ThreadLocalMap執行個體與線程的生命周期綁定而引起的。如果在使用ThreadLocal的過程中沒有正确地進行清理操作，就可能導緻記憶體洩漏。

當一個線程結束時，如果對應的ThreadLocalMap沒有被正确清理，其中存儲的鍵值對将無法被釋放，進而導緻相關的對象無法被垃圾回收。這種情況下，即使線程已經結束，相關對象仍然被持有，占用記憶體資源，進而造成記憶體洩漏。

解決ThreadLocal記憶體洩漏問題的一種常見方法是在使用完ThreadLocal後調用remove()方法進行清理。這樣可以確定線上程結束時，相關的ThreadLocal對象及其對應的值都能夠被正确釋放。可以在使用完ThreadLocal後，顯式調用remove()方法清理相關資料，或者使用try-finally語句塊確定在不再需要時進行清理操作，例如：

csharp複制代碼ThreadLocal<MyObject> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();
try {
    // 使用ThreadLocal
    myThreadLocal.set(myObject);
    // 進行其他操作
} finally {
    // 清理ThreadLocal
    myThreadLocal.remove();
}
           

通過在finally塊中調用remove()方法，即使在異常情況下也能夠確定進行清理操作。

另外，還可以使用InheritableThreadLocal來處理一些特殊情況下的記憶體洩漏問題。InheritableThreadLocal允許子線程繼承父線程的ThreadLocal變量值，但仍然需要注意在合适的時機進行清理操作。

需要注意的是，正确使用ThreadLocal并及時清理并不會引起記憶體洩漏。記憶體洩漏問題通常是由于在使用ThreadLocal時忽略了清理操作或者清理操作的時機不正确導緻的。是以，在使用ThreadLocal時，務必要注意在合适的時機調用remove()方法，確定及時清理相關資料，以避免潛在的記憶體洩漏問題。

III. ThreadLocal源碼解讀

A. JDK源碼結構概述

在深入闡述ThreadLocal的源碼之前，我們需要了解JDK中與ThreadLocal相關的類和接口。關鍵的類包括ThreadLocal類、ThreadLocalMap類和Thread類。

B. ThreadLocal的核心類和方法解讀

ThreadLocal類的結構和功能： ThreadLocal類是Java提供的用于在多線程環境下實作線程局部變量的工具類。它的主要結構和功能包括：

• 内部靜态類ThreadLocalMap：ThreadLocal類内部包含一個靜态内部類ThreadLocalMap，它實際上是一個自定義的哈希表，用于存儲線程私有的變量值。每個ThreadLocal對象在ThreadLocalMap中作為鍵，對應的變量值作為值進行存儲。
• get()方法：get()方法用于擷取目前線程中與ThreadLocal對象關聯的變量值。它會首先擷取目前線程的ThreadLocalMap執行個體，然後使用目前ThreadLocal對象作為鍵來查找對應的變量值。如果找到了對應的變量值，則傳回該值；如果沒有找到，則傳回null。
• set()方法：set()方法用于設定目前線程中與ThreadLocal對象關聯的變量值。它會首先擷取目前線程的ThreadLocalMap執行個體，然後使用目前ThreadLocal對象作為鍵，将傳入的變量值存儲到ThreadLocalMap中。
• remove()方法：remove()方法用于移除目前線程中與ThreadLocal對象關聯的變量值。它會首先擷取目前線程的ThreadLocalMap執行個體，然後使用目前ThreadLocal對象作為鍵來移除對應的變量值。
• initialValue()方法：initialValue()方法是一個protected的工廠方法，用于提供ThreadLocal的初始值。當線程首次通路ThreadLocal時，如果沒有設定初始值，會調用initialValue()方法來擷取初始值，預設實作傳回null。

ThreadLocalMap類的結構和功能： ThreadLocalMap類是ThreadLocal的内部資料結構，用于存儲線程私有的變量值。它的主要結構和功能包括：

• Entry數組：ThreadLocalMap内部使用Entry數組來存儲鍵值對。每個Entry對象包含一個ThreadLocal鍵和對應的變量值。
• 雜湊演算法：ThreadLocalMap使用線性探測法解決哈希沖突，通過線性查找的方式來處理哈希碰撞的情況。
• get()方法：get()方法用于根據ThreadLocal對象擷取對應的變量值。它通過周遊Entry數組，根據ThreadLocal對象進行查找，如果找到了對應的Entry，則傳回該Entry的值；否則傳回null。
• set()方法：set()方法用于根據ThreadLocal對象設定對應的變量值。它通過周遊Entry數組，根據ThreadLocal對象進行查找，如果找到了對應的Entry，則更新該Entry的值；否則建立新的Entry并添加到數組中。
• remove()方法：remove()方法用于根據ThreadLocal對象移除對應的變量值。它通過周遊Entry數組，根據ThreadLocal對象進行查找，如果找到了對應的Entry，則将其從數組中移除。

Thread類中與ThreadLocal相關的方法： Thread類中提供了一些方法用于與ThreadLocal相關的操作：

• ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals：Thread類中有一個名為threadLocals的執行個體變量，用于存儲目前線程的ThreadLocalMap執行個體，即存儲與目前線程相關的ThreadLocal對象和對應的變量值。
• ThreadLocal.ThreadLocalMap getThreadLocals() ：該方法用于擷取目前線程的ThreadLocalMap執行個體，即擷取與目前線程相關的ThreadLocal對象和對應的變量值的存儲結構。
• ThreadLocal.ThreadLocalMap createThreadLocals() ：該方法用于建立目前線程的ThreadLocalMap執行個體，如果目前線程已經有ThreadLocalMap執行個體，則傳回該執行個體；否則建立新的ThreadLocalMap執行個體并與目前線程關聯。
• void setThreadLocals(ThreadLocal.ThreadLocalMap map) ：該方法用于設定目前線程的ThreadLocalMap執行個體，即設定與目前線程相關的ThreadLocal對象和對應的變量值的存儲結構。

這些方法提供了在Thread類中管理ThreadLocal對象和與之相關的變量值的功能，以實作線程私有的資料存儲和通路。

C. 源碼中的關鍵資料結構和算法分析

在ThreadLocal的源碼中，主要涉及到以下幾個關鍵的資料結構和算法：

1. ThreadLocalMap（資料結構）： ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部類，用于存儲線程私有的變量值。它是一個自定義的哈希表，基于開放位址法的線性探測來解決哈希沖突。ThreadLocalMap内部使用了一個Entry數組來存儲鍵值對，每個Entry對象包含一個ThreadLocal鍵和對應的變量值。ThreadLocalMap的結構和功能有助于實作線程局部變量的存儲和通路。
2. Entry（資料結構）： Entry是ThreadLocalMap中的内部類，用于表示哈希表中的一個鍵值對。每個Entry對象包含了一個ThreadLocal鍵和對應的變量值。Entry對象通過開放位址法的線性探測來解決哈希沖突，它會在哈希表中尋找一個可用的槽位來存儲鍵值對。
3. 雜湊演算法和線性探測（算法）： ThreadLocalMap使用雜湊演算法來計算ThreadLocal對象的哈希碼，并将其作為索引來存儲和查找Entry對象。當出現哈希沖突時，ThreadLocalMap使用線性探測的方式來解決。線性探測意味着如果目前槽位已經被占用，則繼續向下一個槽位進行探測，直到找到一個可用的槽位。這種方式簡單而高效，避免了使用連結清單等資料結構來處理沖突。
4. 垃圾回收（算法）： ThreadLocalMap通過使用ThreadLocal的弱引用來解決記憶體洩漏問題。ThreadLocal的弱引用不會阻止ThreadLocal對象本身被回收，當ThreadLocal對象沒有強引用時，它将被垃圾回收。在垃圾回收時，ThreadLocalMap會使用一種特殊的方式清理對應的鍵值對，避免出現懸挂引用，進而避免記憶體洩漏問題。

這些關鍵的資料結構和算法在ThreadLocal的源碼中起着重要的作用，它們共同實作了線程局部變量的存儲和通路，保證了線程間資料的隔離性和安全性。同時，通過使用弱引用和特殊的垃圾回收方式，也有效地解決了ThreadLocal可能導緻的記憶體洩漏問題。

IV. ThreadLocal的最佳實踐

A. 使用ThreadLocal的注意事項

使用ThreadLocal時需要注意以下幾點，并結合示例代碼示範ThreadLocal的正确用法和常見問題的解答，以便更好地了解ThreadLocal的最佳實踐：

1. 将ThreadLocal聲明為private static的變量： ThreadLocal通常應該被聲明為private static類型的變量，以確定每個線程都可以通路到相同的ThreadLocal執行個體。這樣可以避免由于ThreadLocal執行個體的複制而引發的線程安全問題。

swift複制代碼private static ThreadLocal<MyObject> myThreadLocal = new ThreadLocal<>();
           

2. 在使用完ThreadLocal後及時清理： 在使用完ThreadLocal後，應該及時調用remove()方法進行清理，以避免記憶體洩漏。可以使用try-finally塊確定在不再需要ThreadLocal時進行清理操作。

csharp複制代碼try {
    // 使用ThreadLocal
    myThreadLocal.set(myObject);
    // 進行其他操作
} finally {
    // 清理ThreadLocal
    myThreadLocal.remove();
}
           

3. 提供初始值的方式： 如果需要提供ThreadLocal的初始值，可以通過重寫initialValue()方法或使用ThreadLocal的initialValue()方法來實作。

typescript複制代碼private static ThreadLocal<MyObject> myThreadLocal = new ThreadLocal<MyObject>() {
    @Override
    protected MyObject initialValue() {
        return new MyObject();
    }
};
           

4. 了解ThreadLocal的作用範圍： ThreadLocal隻在目前線程内起作用，不同線程之間的ThreadLocal是隔離的。是以，不能期望在不同線程之間共享ThreadLocal的值。

5. 慎用InheritableThreadLocal： InheritableThreadLocal允許子線程繼承父線程的ThreadLocal值，但慎用它，因為它可能導緻父線程中的ThreadLocal值被意外修改。

6. 了解ThreadLocal的線程安全性： ThreadLocal本身并不是線程安全的，它隻是提供了一種在多線程環境下通路線程私有變量的機制。每個線程通路自己的ThreadLocal對象時是線程安全的，但如果多個線程同時通路同一個ThreadLocal對象，仍然需要注意線程安全問題。

B. ThreadLocal的正确用法

以下是一個示例代碼，示範了ThreadLocal的正确用法：

csharp複制代碼public class ThreadLocalExample {
    private static ThreadLocal<Integer> counter = new ThreadLocal<Integer>() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                counter.set(counter.get() + 1);
                System.out.println("Thread 1: Counter = " + counter.get());
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                counter.set(counter.get() + 1);
                System.out.println("Thread 2: Counter = " + counter.get());
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
    }
}
           

以上代碼展示了兩個線程分别對ThreadLocal變量進行自增操作，并且每個線程都能擷取到自己的線程私有的計數器。通過合理使用ThreadLocal，每個線程都可以維護自己的狀态，而不會互相幹擾。

C. 常見問題及解答

• Q: ThreadLocal記憶體洩漏如何解決？
• A: 確定在使用完ThreadLocal後調用remove()方法進行清理，避免長時間持有ThreadLocal執行個體造成記憶體洩漏。
• Q: 如何在多個線程之間共享資料？
• A: ThreadLocal并不适用于在多個線程之間共享資料。如果需要線上程間共享資料，可以考慮使用其他線程間共享的機制，如使用線程池、使用ThreadLocal的容器等。
• Q: ThreadLocal和線程池的結合使用會有什麼問題？
• A: 當線程池中的線程複用時，ThreadLocal中的值可能會被保留，導緻不同任務之間共享ThreadLocal中的資料。為了避免這個問題，使用完ThreadLocal後應該及時清理。
• Q: InheritableThreadLocal的使用場景是什麼？
• A: InheritableThreadLocal适用于需要将資料從父線程傳遞到子線程的場景，例如父線程設定一些環境上下文資料，子線程可以繼承這些資料并進行處理。然而，需要注意InheritableThreadLocal可能引發的線程安全問題。

總結

本文深入探讨了ThreadLocal的原理和源碼解讀。通過了解ThreadLocal的工作原理、源碼結構和關鍵資料結構，我們可以更好地了解和應用ThreadLocal。同時，通過最佳實踐和示例代碼，幫助讀者正确使用ThreadLocal，并解決常見的問題和疑惑。通過學習ThreadLocal，我們可以更好地處理線程間的資料隔離和共享問題，提高程式的性能和可伸縮性。

原文連結：https://juejin.cn/post/7234782462773002298