并发原理抽丝剥茧，线程本地变量ThreadLocal的实现原理 | 专栏五折活动，仅限三天
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关于ThreadLocal
ThreadLocal我们经常称之为线程本地变量，通过它能够实现线程与变量之间的绑定，也就是说每个线程只能读写本线程对应的变量。对于同一个ThreadLocal对象，每个线程对该对象读写时只能看到属于自己的变量，这样来看ThreadLocal也是一种线程安全的模式。ThreadLocal的功能如下图所示，一个ThreadLocal对象就是一个线程本地变量，该变量可以保存多个变量值，比如线程一对应变量值一，其它两个线程也有自己的变量值。
ThreadLocal变量绑定
ThreadLocal例子
我们通过一个小例子来了解ThreadLocal的使用方法。首先创建一个ThreadLocal对象，由于是泛型所以需要指定保存的数据类型，这里保存的是String类型。然后启动五个线程，每个线程都通过ThreadLocal对象的set方法设置要绑定该线程的变量值，要保存什么值就传入什么值，而当我们要使用时则调用ThreadLocal对象的get方法，该方法无需传入参数值。最终的输出结果如下。
Thread-1--->Thread-1的变量 Thread-0--->Thread-0的变量 Thread-4--->Thread-4的变量 Thread-3--->Thread-3的变量 Thread-2--->Thread-2的变量
ThreadLocal例子
这个例子的效果如下图，五个线程都各自有各自对应的变量。
ThreadLocal三个主要方法
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set方法，用于设置当前线程本地变量的值，传入的参数为要设置的值。比如 threadLocal.set("value") 。
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get方法，用于获取当前线程本地变量的值，无需传入任何参数。比如 String threadLocalValue = (String) threadLocal.get() 。
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remove方法，用于删除当前线程本地变量，无需传入任何参数。比如 threadLocal.remove() 。
如何模拟实现
在了解了ThreadLocal的功能后我们试着想一个问题：ThreadLocal是如何实现的呢，变量与线程之间如何绑定的呢？实际上，如果让我们自己来实现ThreadLocal功能，我们只要通过一个Map结构就能实现该功能了。其中Map的key是当前线程，而Map的value则是变量值。下图展示了ThreadLocal的设计思想。
模拟实现
再看具体的模拟实现代码，该模拟类提供了set、get和remove三个方法，这三个方法都是间接操作Map对象。注意Map对象的key值都是当前线程，由Thread.currentThread()来获取，这个key值不必由调用方传入。这样就实现了一个简单的ThreadLocal，是不是很简单？
模拟实现
JDK中ThreadLocal的实现思想
上面的实现方式虽然简单且符合我们的思考方式，但是它存在多线程并发性能问题，这个怎么说呢？其实很明显，我们实现的ThreadLocal内部使用了一个Map对象，所有线程的操作都是针对该Map对象进行的操作，需要保证该对象访问的线程安全，这就需要额外的锁机制来保证，但与此同时也就带来了性能问题。
JDK为我们提供的ThreadLocal的实现则比较巧妙，为了避免并发时涉及锁问题，它在每个线程对象中都放一个Map对象，但它并没有直接使用JDK的Map类，而是自己实现了一个key-value数据结构。每个线程都操作自己的Map对象则不存在并发问题，如下图，线程一包含了一个Map对象，该Map对象的key是ThreadLocal对象，而value则是变量值。注意这里的实现需要将思维转换一下，ThreadLocal对象变成了key，也就是说可能存在很多不同的ThreadLocal对象，要查找时需要传入对应的ThreadLocal对象。
ThreadLocal实现思想
JDK的实现源码分析
注意这里只分析实现的核心内容，并非包括所有源码细节，并且为了达到简洁清晰的效果，可能会删除或修改少量源码。我们先来看Thread类与ThreadLocal类的关系，看到Thread类中包含了一个threadLocals变量，它是一种ThreadLocal.ThreadLocalMap类型，该类型定义在ThreadLocal类里面，也就是一个内部类。而ThreadLocalMap这个内部类即是实现了一个Map结构，该类又包含了Entry内部类，ThreadLocal对象和变量值则是通过Entry来保存。
类关系
Thread类里面声明了threadLocals变量用于关联ThreadLocal.ThreadLocalMap对象，注意默认为null。
Thread类
而ThreadLocal类的大体结构如下，提供了主要的三个方法，其ThreadLocalMap内部类实现Map结构。Map结构具体由Entry类实现，该类继承了WeakReference类，目的是为了避免内存泄漏。下面将对三个主要方法进行分析。
ThreadLocal类
对于多个线程与多个线程本地变量来说，它们的结构如下图。
关于ThreadLocalMap类
ThreadLocalMap类实际上就是一个Map结构的实现，对于Java开发人员来说对Map再熟悉不过了，而且由于ThreadLocalMap类的实现涉及到很多细节，如果我们纯讲它繁琐的实现源码则会导致篇幅冗长，所以这里我们主要是了解它的结构和操作即可。ThreadLocalMap类使用数组来保存key-value，数组的每个元素对应一个key-value，所以新增、修改、删除等操作都是围绕着数组进行的。保存之前会先用哈希算法计算线程对象的哈希值，这是一个整型值，通过该值就能定位数组的某个位置的元素，这样就能找到对应的key-value进行操作。
ThreadLocal的set方法
我们看set方法的实现，ThreadLocal类的set方法逻辑为：首先获取当前线程对象，然后通过getMap方法获取当前线程的ThreadLocalMap，其实就是从Thread对象中获取，最后调用ThreadLocalMap对象的set方法保存key-value。注意如果Thread对象中的ThreadLocalMap对象为空的话则需要调用createMap方法先创建ThreadLocalMap对象并关联到Thread对象中。
set方法
ThreadLocal的get方法
get方法的逻辑为：首先获取当前线程对象，然后通过getMap方法获取当前线程的ThreadLocalMap对象，如果该对象不为空则调用ThreadLocalMap对象的getEntry方法获取Entry，Entry对象即包含了我们要的value。如果获取不到值则最终还会执行setInitialValue方法，它是根据ThreadLocal对象的initialValue方法来设置初始值，默认是null，如果你想要设置一个初始值则可以重写initialValue方法。
get方法
ThreadLocal的remove方法
remove方法的逻辑很简单，直接获取当前线程对象的ThreadLocalMap对象，然后调用该对象的remove方法删除对应的key-value。
remove方法
ThreadLocal的内存泄漏
JDK的实现是让Entry继承了WeakReference类，所以可以指定对某个对象进行弱引用，弱引用类型在没有其它强引用的情况下会被JVM的垃圾回收器回收。我们通过下图来理解如何导致内存泄漏，我们知道ThreadLocal被创建后就会伴随Thread的整个生命周期，假如这个线程的生命周期很长则会导致严重的内存泄漏，下面看具体的情况。
运行栈运行过程中假如某个时刻ThreadLocal引用不再指向ThreadLocal对象，则该对象仅仅剩下一个弱引用，这时该对象就会被JVM回收，从而导致Entry的key为null，key为null时就导致ThreadLocalMap无法再找到这个Entry的value。一旦运行时间被拉长，value将一直存在内存中而无法被回收，这样就造成了内存泄漏，整个引用关系为Thread对象->ThreadLocalMap对象->Entry对象->value。
那是不是不要继承WeakReference类，让它默认强引用就不会导致内存泄漏呢？那肯定不是，不然也就不用多此一举了。运行栈运行过程中假如某个时刻ThreadLocal引用不再指向ThreadLocal对象，则ThreadLocal对象因为存在强引用而不被JVM回收，此时除了value无法被回收外，ThreadLocal对象也无法被回收，同样产生内存泄漏问题。
综上所述，不管Entry有没有继承WeakReference类都存在内存泄漏问题，如果我们不手动去执行remove操作的话都会导致内存泄漏。那么JDK团队为什么又要继承WeakReference类呢？那是因为他们想采取一些措施来尽量保证内存不泄漏，也就是说他们会在ThreadLocalMap类的get、set、remove方法中去执行一个清除操作，把ThreadLocalMap包含的所有Entry中key为null的value给清除掉，并且将对应的Entry也置为null，以便被JVM回收。
所以我们在使用ThreadLocal时要注意的一点是：当我们使用完ThreadLocal时都要手动调用remove方法，从而避免内存泄漏。
总结
本篇文章介绍了ThreadLocal的相关知识，从简单的使用例子开始一步一步深入，而且我们还自己模拟实现了一个ThreadLocal类，模拟的方式简洁且容易理解，但却存在并发性能问题，所以JDK实现的ThreadLocal相对复杂很多。然后我们分析了JDK的ThreadLocal的实现思想，最后从源码级别分析它的实现，包括set、get和remove三个主要方法。最后，我们讲解了ThreadLocal存在的内存泄漏问题，并提出了使用ThreadLocal的注意点是要手动调用remove方法清理掉不再使用的key-value。
作者简介：笔名seaboat，擅长人工智能、计算机科学、数学原理、基础算法。出版书籍：《Tomcat内核设计剖析》、《图解数据结构与算法》、《人工智能原理科普》。
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