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【死磕Java併發】—–深入分析ThreadLocal

2017-12-25 分類：後端 閱讀(307) 評論(0)

你不一定要點藍字關註我的

ThreadLoacal是什麼？

ThreadLocal是啥？以前面試別人時就喜歡問這個，有些夥伴喜歡把它和執行緒同步機制混為一談，事實上ThreadLocal與執行緒同步無關。ThreadLocal雖然提供了一種解決多執行緒環境下成員變數的問題，但是它並不是解決多執行緒共享變數的問題。那麼ThreadLocal到底是什麼呢？

API是這樣介紹它的：This class provides thread-local variables. These variables differ from their normal counterparts in that each thread that accesses one (via its {@code get} or {@code set} method) has its own, independently initialized copy of the variable. {@code ThreadLocal} instances are typically private static fields in classes that wish to associate state with a thread (e.g.,a user ID or Transaction ID).

該類提供了執行緒區域性 (thread-local) 變數。這些變數不同於它們的普通對應物，因為訪問某個變數（透過其 get 或 set 方法）的每個執行緒都有自己的區域性變數，它獨立於變數的初始化副本。 ThreadLocal實體通常是類中的 private static 欄位，它們希望將狀態與某一個執行緒（例如，使用者 ID 或事務 ID）相關聯。

所以ThreadLocal與執行緒同步機制不同，執行緒同步機制是多個執行緒共享同一個變數，而ThreadLocal是為每一個執行緒建立一個單獨的變數副本，故而每個執行緒都可以獨立地改變自己所擁有的變數副本，而不會影響其他執行緒所對應的副本。可以說ThreadLocal為多執行緒環境下變數問題提供了另外一種解決思路。

ThreadLocal定義了四個方法：

  • get()：傳回此執行緒區域性變數的當前執行緒副本中的值。

  • initialValue()：傳回此執行緒區域性變數的當前執行緒的“初始值”。

  • remove()：移除此執行緒區域性變數當前執行緒的值。

  • set(T value)：將此執行緒區域性變數的當前執行緒副本中的值設定為指定值。

除了這四個方法，ThreadLocal內部還有一個靜態內部類ThreadLocalMap，該內部類才是實現執行緒隔離機制的關鍵，get()、set()、remove()都是基於該內部類操作。ThreadLocalMap提供了一種用鍵值對方式儲存每一個執行緒的變數副本的方法，key為當前ThreadLocal物件，value則是對應執行緒的變數副本。

對於ThreadLocal需要註意的有兩點：

  1. ThreadLocal實體本身是不儲存值，它只是提供了一個在當前執行緒中找到副本值得key。

  2. 是ThreadLocal包含在Thread中，而不是Thread包含在ThreadLocal中，有些小夥伴會弄錯他們的關係。

下圖是Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap的關係（http://blog.xiaohansong.com/2016/08/06/ThreadLocal-memory-leak/）

ThreadLocal使用示例

示例如下：

  1. public class SeqCount {
  3.     private static ThreadLocal<Integer> seqCount = new ThreadLocal<Integer>(){
  4.         // 實現initialValue()
  5.         public Integer initialValue() {
  6.             return 0;
  7.         }
  8.     };
  10.     public int nextSeq(){
  11.         seqCount.set(seqCount.get() + 1);
  13.         return seqCount.get();
  14.     }
  16.     public static void main(String[] args){
  17.         SeqCount seqCount = new SeqCount();
  19.         SeqThread thread1 = new SeqThread(seqCount);
  20.         SeqThread thread2 = new SeqThread(seqCount);
  21.         SeqThread thread3 = new SeqThread(seqCount);
  22.         SeqThread thread4 = new SeqThread(seqCount);
  24.         thread1.start();
  25.         thread2.start();
  26.         thread3.start();
  27.         thread4.start();
  28.     }
  30.     private static class SeqThread extends Thread{
  31.         private SeqCount seqCount;
  33.         SeqThread(SeqCount seqCount){
  34.             this.seqCount = seqCount;
  35.         }
  37.         public void run() {
  38.             for(int i = 0 ; i < 3 ; i++){
  39.                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " seqCount :" + seqCount.nextSeq());
  40.             }
  41.         }
  42.     }
  43. }

執行結果：

從執行結果可以看出，ThreadLocal確實是可以達到執行緒隔離機制，確保變數的安全性。這裡我們想一個問題，在上面的程式碼中ThreadLocal的initialValue()方法傳回的是0，加入該方法傳回得是一個物件呢，會產生什麼後果呢？例如：

  1.     A a = new A();
  2.     private static ThreadLocal<A> seqCount = new ThreadLocal<A>(){
  3.         // 實現initialValue()
  4.         public A initialValue() {
  5.             return a;
  6.         }
  7.     };
  9.     class A{
  10.         // ....
  11.     }

具體過程請參考：對ThreadLocal實現原理的一點思考

ThreadLocal原始碼解析

ThreadLocal雖然解決了這個多執行緒變數的複雜問題，但是它的原始碼實現卻是比較簡單的。ThreadLocalMap是實現ThreadLocal的關鍵，我們先從它入手。

ThreadLocalMap

ThreadLocalMap其內部利用Entry來實現key-value的儲存，如下：

  1.        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal>> {
  2.             /** The value associated with this ThreadLocal. */
  3.             Object value;
  5.             Entry(ThreadLocal> k, Object v) {
  6.                 super(k);
  7.                 value = v;
  8.             }
  9.         }

從上面程式碼中可以看出Entry的key就是ThreadLocal，而value就是值。同時，Entry也繼承WeakReference，所以說Entry所對應key（ThreadLocal實體）的取用為一個弱取用（關於弱取用這裡就不多說了，感興趣的可以關註這篇部落格：Java 理論與實踐: 用弱取用堵住記憶體洩漏）

ThreadLocalMap的原始碼稍微多了點，我們就看兩個最核心的方法getEntry()、set(ThreadLocal key, Object value)方法。

set(ThreadLocal key, Object value)

  1.     private void set(ThreadLocal> key, Object value) {
  3.         ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry[] tab = table;
  4.         int len = tab.length;
  6.         // 根據 ThreadLocal 的雜湊值，查詢對應元素在陣列中的位置
  7.         int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
  9.         // 採用“線性探測法”，尋找合適位置
  10.         for (ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry e = tab[i];
  11.             e != null;
  12.             e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
  14.             ThreadLocal> k = e.get();
  16.             // key 存在，直接改寫
  17.             if (k == key) {
  18.                 e.value = value;
  19.                 return;
  20.             }
  22.             // key == null，但是存在值（因為此處的e != null），說明之前的ThreadLocal物件已經被回收了
  23.             if (k == null) {
  24.                 // 用新元素替換陳舊的元素
  25.                 replaceStaleEntry(key, value, i);
  26.                 return;
  27.             }
  28.         }
  30.         // ThreadLocal對應的key實體不存在也沒有陳舊元素，new 一個
  31.         tab[i] = new ThreadLocal.ThreadLocalMap.Entry(key, value);
  33.         int sz = ++size;
  35.         // cleanSomeSlots 清楚陳舊的Entry（key == null）
  36.         // 如果沒有清理陳舊的 Entry 並且陣列中的元素大於了閾值，則進行 rehash
  37.         if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
  38.             rehash();
  39.     }

這個set()操作和我們在集合瞭解的put()方式有點兒不一樣，雖然他們都是key-value結構，不同在於他們解決雜湊衝突的方式不同。集合Map的put()採用的是拉鏈法，而ThreadLocalMap的set()則是採用開放定址法（具體請參考雜湊衝突處理系列部落格）。掌握了開放地址法該方法就一目瞭然了。

set()操作除了儲存元素外，還有一個很重要的作用，就是replaceStaleEntry()和cleanSomeSlots()，這兩個方法可以清除掉key == null 的實體，防止記憶體洩漏。在set()方法中還有一個變數很重要：threadLocalHashCode，定義如下：

  1. private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

從名字上面我們可以看出threadLocalHashCode應該是ThreadLocal的雜湊值，定義為final，表示ThreadLocal一旦建立其雜湊值就已經確定了，生成過程則是呼叫nextHashCode()：

  1.     private static AtomicInteger nextHashCode = new AtomicInteger();
  3.     private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;
  5.     private static int nextHashCode() {
  6.         return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
  7.     }

nextHashCode表示分配下一個ThreadLocal實體的threadLocalHashCode的值，HASH_INCREMENT則表示分配兩個ThradLocal實體的threadLocalHashCode的增量，從nextHashCode就可以看出他們的定義。

getEntry()

  1.         private Entry getEntry(ThreadLocal> key) {
  2.             int i = key.threadLocalHashCode & (table.length - 1);
  3.             Entry e = table[i];
  4.             if (e != null && e.get() == key)
  5.                 return e;
  6.             else
  7.                 return getEntryAfterMiss(key, i, e);
  8.         }

由於採用了開放定址法，所以當前key的雜湊值和元素在陣列的索引並不是完全對應的，首先取一個探測數（key的雜湊值），如果所對應的key就是我們所要找的元素，則傳回，否則呼叫getEntryAfterMiss()，如下：

  1.         private Entry getEntryAfterMiss(ThreadLocal> key, int i, Entry e) {
  2.             Entry[] tab = table;
  3.             int len = tab.length;
  5.             while (e != null) {
  6.                 ThreadLocal> k = e.get();
  7.                 if (k == key)
  8.                     return e;
  9.                 if (k == null)
  10.                     expungeStaleEntry(i);
  11.                 else
  12.                     i = nextIndex(i, len);
  13.                 e = tab[i];
  14.             }
  15.             return null;
  16.         }

這裡有一個重要的地方，當key == null時，呼叫了expungeStaleEntry()方法，該方法用於處理key == null，有利於GC回收，能夠有效地避免記憶體洩漏。

get()

傳回當前執行緒所對應的執行緒變數

  1.     public T get() {
  2.         // 獲取當前執行緒
  3.         Thread t = Thread.currentThread();
  5.         // 獲取當前執行緒的成員變數 threadLocal
  6.         ThreadLocalMap map = getMap(t);
  7.         if (map != null) {
  8.             // 從當前執行緒的ThreadLocalMap獲取相對應的Entry
  9.             ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
  10.             if (e != null) {
  11.                 @SuppressWarnings("unchecked")
  13.                 // 獲取標的值        
  14.                 T result = (T)e.value;
  15.                 return result;
  16.             }
  17.         }
  18.         return setInitialValue();
  19.     }

首先透過當前執行緒獲取所對應的成員變數ThreadLocalMap，然後透過ThreadLocalMap獲取當前ThreadLocal的Entry，最後透過所獲取的Entry獲取標的值result。

getMap()方法可以獲取當前執行緒所對應的ThreadLocalMap，如下：

  1.     ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
  2.         return t.threadLocals;
  3.     }

set(T value)

設定當前執行緒的執行緒區域性變數的值。

  1.     public void set(T value) {
  2.         Thread t = Thread.currentThread();
  3.         ThreadLocalMap map = getMap(t);
  4.         if (map != null)
  5.             map.set(this, value);
  6.         else
  7.             createMap(t, value);
  8.     }

獲取當前執行緒所對應的ThreadLocalMap，如果不為空，則呼叫ThreadLocalMap的set()方法，key就是當前ThreadLocal，如果不存在，則呼叫createMap()方法新建一個，如下：

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

initialValue()

傳回該執行緒區域性變數的初始值。

  1.     protected T initialValue() {
  2.         return null;
  3.     }

該方法定義為protected級別且傳回為null，很明顯是要子類實現它的，所以我們在使用ThreadLocal的時候一般都應該改寫該方法。該方法不能顯示呼叫，只有在第一次呼叫get()或者set()方法時才會被執行，並且僅執行1次。

remove()

將當前執行緒區域性變數的值刪除。

  1.     public void remove() {
  2.         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
  3.         if (m != null)
  4.             m.remove(this);
  5.     }

該方法的目的是減少記憶體的佔用。當然，我們不需要顯示呼叫該方法，因為一個執行緒結束後，它所對應的區域性變數就會被垃圾回收。

ThreadLocal為什麼會記憶體洩漏

前面提到每個Thread都有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap的map，該map的key為ThreadLocal實體，它為一個弱取用，我們知道弱取用有利於GC回收。當ThreadLocal的key == null時，GC就會回收這部分空間，但是value卻不一定能夠被回收，因為他還與Current Thread存在一個強取用關係，如下（圖片來自http://www.jianshu.com/p/ee8c9dccc953）：

由於存在這個強取用關係，會導致value無法回收。如果這個執行緒物件不會銷毀那麼這個強取用關係則會一直存在，就會出現記憶體洩漏情況。所以說只要這個執行緒物件能夠及時被GC回收，就不會出現記憶體洩漏。如果碰到執行緒池，那就更坑了。

那麼要怎麼避免這個問題呢？

在前面提過，在ThreadLocalMap中的setEntry()、getEntry()，如果遇到key == null的情況，會對value設定為null。當然我們也可以顯示呼叫ThreadLocal的remove()方法進行處理。

下麵再對ThreadLocal進行簡單的總結：

  • ThreadLocal 不是用於解決共享變數的問題的，也不是為了協調執行緒同步而存在，而是為了方便每個執行緒處理自己的狀態而引入的一個機制。這點至關重要。

  • 每個Thread內部都有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap型別的成員變數，該成員變數用來儲存實際的ThreadLocal變數副本。

  • ThreadLocal並不是為執行緒儲存物件的副本，它僅僅只起到一個索引的作用。它的主要木得視為每一個執行緒隔離一個類的實體，這個實體的作用範圍僅限於執行緒內部。

END

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