Golang 多goroutine异步通知error的一种方法

深入理解ThreadLocal

用途

我们一般用ThreadLocal来提供线程局部变量。线程局部变量会在每个Thread内拥有一个副本，Thread只能访问自己的那个副本。文字解释总是晦涩的，我们来看个例子。

public class Test {

    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new MyThread("lucy");
        Thread thread2 = new MyThread("lily");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    private static class MyThread extends Thread {

        MyThread(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            threadLocal.set("i am " + thread.getName());
            try {
                //睡眠两秒，确保线程lucy和线程lily都调用了threadLocal的set方法。
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(thread.getName() + " say: " + threadLocal.get());
        }
    }
}

这个例子非常简单，就是创建了lucy和lily两个线程。在线程内部，调用threadLocal的set方法存入一字符串，睡眠2秒后输出线程名称和threadLocal中的字符串。我们运行这单代码，看一下输出内容。

lucy say: i am lucy
lily say: i am lily

原理

上面例子很好的解释了ThreadLocal的作用，接下来我们分析一下这是如何实现的。

我们定位到ThreadLocal的set方法。源码中set方法被拆分为几个方法，为了表述方便笔者将这几个方法进行了整合。

public void set(T value) {
    //获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //获取当前线程的ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map = t.threadLocals;
    if (map != null)
        //将数据放入ThreadLocalMap中，key是当前ThreadLocal对象，值是我们传入的value。
        map.set(this, value);
    else
        //初始化ThreadLocalMap，并以当前ThreadLocal对象为Key，value为值存入map中。
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, value);
}

通过上面这段代码可以看到，ThreadLocal的set方法主要是通过当前线程的ThreadLocalMap实现的。ThreadLocalMap是一个Map，它的key是ThreadLoacl，value是Object。

TreadLocal的get方法的源码我就不贴出来了，大体上与set方法类似，就是先获取到当前线程的ThreadLocalMap，然后以this为key可以取得value。

到这里我们基本上明白了ThreadLocal的工作原理，我们总结一下

每个Thread实例内部都有一个ThreadLocalMap，ThreadLocalMap是一种Map，它的key是ThreadLocal，value是Object。

ThreadLocal的set方法其实是往当前线程的ThreadLocalMap中存入数据，其key是当前ThreadLocal对象，value是set方法中传入的值。

使用数据时，以当前ThreadLocal为key，从当前线程的ThreadLocalMap中取出数据。

ThreadLocalMap

上面我们介绍了ThreadLocal主要是通过线程的ThreadLocalMap实现的。

static class ThreadLocalMap {
        private ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] table;

        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> var1, Object var2) {
                super(var1);
                this.value = var2;
            }
        }
    }

ThreadLocalMap是一种Map，其内部维护着一个Entry[]。

ThreadLocalMap其实是就是将Key和Value包装成Entry，然后放入Entry数组中。我们看一下它的set方法。

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();

                if (k == key) {
                  //如果已经存在，直接替换value
                    e.value = value;
                    return;
                }

                if (k == null) {//如果当前位置的key ThreadLocal为空，替换key和value。下文ThreadLocal内存分析中会提到为什么会有这段代码。
                    replaceStaleEntry(key, value, i);
                    return;
                }
            }

            tab[i] = new Entry(key, value);//该位置没有数据，直接存入。
            int sz = ++size;
            if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold) //检查是否扩容
                rehash();
        }

        private static int nextIndex(int i, int len) {
            return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
        }

到这里，如果你了解HashMap，应该可以看出ThreadLocalMap就是一种HashMap。不过它并没有采用java.util.HashMap中数组+链表的方式解决Hash冲突，而是采用index后移的方式。

我们简单分析一下这段代码：

通过ThreadLocal的threadLocalHashCode与当前Map的长度计算出数组下标 i。

从i开始遍历Entry数组，这会有三种情况：

Entry的key就是我们要set的ThreadLocal，直接替换Entry中的value。

Entry的key为空，直接替换key和value。

发生了Hash冲突，当前位置已经有了数据，查找下一个可用空间。

找到没有数据的位置，将key和value放入。

检查是否扩容。

我们知道，HashMap是一种get、set都非常高效的集合，它的时间复杂度只有O(1)。但是如果存在严重的Hash冲突，那HashMap的效率就会降低很多。我们通过上段代码知道，ThreadLocalMap是通过 key.threadLocalHashCode & (len-1)计算Entry存放index的。len是当前Entry[]的长度，这没什么好说的。那看来秘密就在threadLocalHashCode中了。我们来看一下threadLocalHashCode是如何产生的。

public class ThreadLocal<T> {

    private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

    private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();

    private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

    private static int nextHashCode() {
        return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
    }
}

ThreadLocalMap.Entry软引用ThreadLocal，避免了ThreadLocal的内存泄漏。

还记得ThreadLocalMap set方法中的这段代码吗？

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

           ...

        if (k == null) {
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }
}

ThreadLocal get方法获取时，有一段如果Entry的key为null，移除Entry和Entry.value的代码。

private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;

    // expunge entry at staleSlot
    tab[staleSlot].value = null;
    tab[staleSlot] = null;
    size--;

    // Rehash until we encounter null
    Entry e;
    int i;
    for (i = nextIndex(staleSlot, len);
         (e = tab[i]) != null;
         i = nextIndex(i, len)) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();
      //
        if (k == null) {
            e.value = null;
            tab[i] = null;
            size--;
        }
      ...
    }
    return i;
}