ThreadLocal实现原理分析

一. ThreadLocal是什么

ThreadLocal 可以理解为线程本地变量，每个线程拥有本地变量的副本，各个线程之间的变量互不干扰，主要用于保证多线程环境下变量的安全。

也就是对于同一个 ThreadLocal，每个线程通过 get、set、remove 接口操作只会影响自身线程的数据，不会干扰其他线程中的数据。

二. ThreadLocal的数据结构

ThreadLocal 的数据结构如下图所示：

static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal> {
    /** The value associated with this ThreadLocal. */
    Object value;

    Entry(ThreadLocal k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}

Entry 继承自 WeakReference（弱引用，生命周期只能存活到下次GC前），但只有 Key 是弱引用类型的，Value 并非弱引用。

可以简单理解成 ThreadLocalMap 的 Key 是 ThreadLocal 变量，Value 是线程本地的数据。

三. ThreadLocal核心方法解析

ThreadLocal 类提供如下几个核心方法：

//用于获取当前线程的副本变量值
public T get()

//用于保存当前线程的副本变量值
public void set(T value)

//移除当前线程的副本变量值
public void remove()

get() 方法实现：

public T get() {
	// 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程的threadLocals变量
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
    	// 根据当前ThreadLocal对象应用获取Entry，存在则直接返回value值
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null)
            return (T)e.value;
    }
    // 如果threadLocals为空，初始化当前线程threadLocals的变量
    return setInitialValue();
}

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}
// threadLocals存在，设置初始值；不存在，初始化threadLocals变量
private T setInitialValue() {
    T value = initialValue();
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
    return value;
}

protected T initialValue() {
    return null;
}

set() 方法实现：

public void set(T value) {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程自身的threadLocals变量
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) 
        // map不为空，则设置
        map.set(this, value);
    else 
        // map为空，说明第一次调用，初始化线程的threadLocals变量
        createMap(t, value);
}

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

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

remove() 方法实现：

public void remove() {
    ThreadLocal.ThreadLocalMap var1 = this.getMap(Thread.currentThread());
    if (var1 != null) {
        var1.remove(this);
    }
}

四. 问题分析

1.ThreadLocalMap 里 Entry 为何声明为 WeakReference？

因为如果这里使用普通的 key-value 形式来定义存储结构，实质上就会造成节点的生命周期与线程强绑定，只要线程没有销毁，那么节点在GC分析中一直处于可达状态，没办法被回收，而程序本身也无法判断是否可以清理节点。

弱引用是Java中四档引用的第三档，比软引用更加弱一些，如果一个对象没有强引用链可达，那么一般活不过下一次GC。当某个 ThreadLocal 已经没有强引用可达，则随着它被垃圾回收，在 ThreadLocalMap 里对应的 Entry 的键值会失效，这为 ThreadLocalMap 本身的垃圾清理提供了便利。

2.什么情况下会发生内存泄漏？

发生 GC 时弱引用 Key会被回收，而 Value 不会回收，如果创建 ThreadLocal 的线程一直持续运行，并且一直不执行get、set、remove方法，这些 Key 为 null 的 Entry 的 Value 就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreadLocalMap -> Entry -> Value，那么这个Entry对象中的 Value 就有可能一直得不到回收，从而发生内存泄漏。

3.如何避免内存泄漏？

既然 Key 是弱引用，那么我们要做的事，就是在调用 ThreadLocal 的 get()、set() 方法完成后及时调用 remove() 方法，将 Entry 节点和 Map 的引用关系移除，这样整个 Entry 对象在 GC Roots 分析后就变成不可达了，下次 GC 的时候就可以被回收了。

（编辑：北几岛）

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