源码|ThreadLocal的实现原理

ThreadLocal也叫“线程本地变量”、“线程局部变量”：

• 其作用域覆盖线程，而不是某个具体任务；
• 其“自然”的生命周期与线程的生命周期“相同”（但在JDK实现中比线程的生命周期更短，减少了内存泄漏的可能）。

ThreadLocal代表了一种线程与任务剥离的思想，从而达到线程封闭的目的，帮助我们设计出更“健康”（简单，美观，易维护）的线程安全类。

JDK版本：oracle java 1.8.0_102

一种假象

ThreadLocal的使用方法往往给我们造成一种假象——变量封装在任务对象内部。

根据使用方法推测实现思路

我们在使用ThreadLocal对象的时候，往往是在任务对象内部声明ThreadLocal变量，如：

ThreedLocal<List> onlineUserList = …;

这也是此处说“从概念上”可以视作如此的原因。那么从这种使用方法的角度出发（逆向思维），让我们自然而然的认为，ThreadLocal变量是存储在任务对象内部的，那么实现思路如下：

class ThreadLocal<T>{
	private Map<Thread, T> valueMap = …;
	public T get(Object key){
		T realValue = valueMap.get(Thread.currentThread())
		return realValue;
	}
}

存在问题

但是这样实现存在一个问题：

• 线程死亡之后，任务对象可能仍然存在（这才是最普遍的情况），从而ThreadLocal对象仍然存在。我们不能要求线程在死亡之前主动删除其使用的ThreadLocal对象，所以valueMap中该线程对应的entry（）无法回收；

问题的本质在于，这种实现“将线程相关的域封闭于任务对象，而不是线程中”。所以ThreadLocal的实现中最重要的一点就是——“将线程相关的域封闭在当前线程实例中”，虽然域仍然在任务对象中声明、set和get，却与任务对象无关。

源码分析

下面从源码中分析ThreadLocal的实现。

逆向追踪源码

首先观察看ThreadLocal类的源码，找到构造函数：

/**
 * Creates a thread local variable.
 * @see #withInitial(java.util.function.Supplier)
 */
public ThreadLocal() {
}

空的。

直接看set方法：

/**
 * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
 * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
 * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
 * method to set the values of thread-locals.
 *
 * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
 *        this thread-local.
 */
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value); // 使用this引用作为key，既做到了变量相关，又满足key不可变的要求。
    else
        createMap(t, value);
}

设置value时，要根据当前线程t获取一个ThreadLocalMap类型的map，真正的value保存在这个map中。这验证了之前的一部分想法——ThreadLocal变量保存在一个“线程相关”的map中。

进入getMap方法：

/**
 * Get the map associated with a ThreadLocal. Overridden in
 * InheritableThreadLocal.
 *
 * @param  t the current thread
 * @return the map
 */
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

可以看到，该map实际上保存在一个Thread实例中，也就是之前传入的当前线程t。

观察Thread类的源码，确实存在着threadLocals变量的声明：

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

在这种实现中，ThreadLocal变量已经达到了文章开头的提出的基本要求：

• 其作用域覆盖线程，而不是某个具体任务
• 其“自然”的生命周期与线程的生命周期“相同”

如果是面试的话，一般分析到这里就可以结束了。

进阶

希望进一步深入，可以继续查看ThreadLocal.ThreadLocalMap类的源码：

/**
 * ThreadLocalMap is a customized hash map suitable only for
 * maintaining thread local values. No operations are exported
 * outside of the ThreadLocal class. The class is package private to
 * allow declaration of fields in class Thread.  To help deal with
 * very large and long-lived usages, the hash table entries use
 * WeakReferences for keys. However, since reference queues are not
 * used, stale entries are guaranteed to be removed only when
 * the table starts running out of space.
 */
static class ThreadLocalMap {

    /**
     * The entries in this hash map extend WeakReference, using
     * its main ref field as the key (which is always a
     * ThreadLocal object).  Note that null keys (i.e. entry.get()
     * == null) mean that the key is no longer referenced, so the
     * entry can be expunged from table.  Such entries are referred to
     * as "stale entries" in the code that follows.
     */
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k); // 使用了WeakReference中的key
            value = v;
        }
    }

    /**
     * The initial capacity -- MUST be a power of two.
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * The table, resized as necessary.
     * table.length MUST always be a power of two.
     */
    private Entry[] table;

    /**
     * The number of entries in the table.
     */
    private int size = 0;

可以看到，虽然ThreadLocalMap没有实现Map接口，但也具有常见Map实现类的大部分属性（与HashMap不同，hash重复时在table里顺序遍历）。

重要的是Entry的实现。Entry继承了一个ThreadLocal泛型的WeakReference引用。

1. ThreadLocal说明了Entry的类型，保存的是ThreadLocal变量。
2. WeakReference是为了方便垃圾回收。

WeakReference与内存泄露

仍然存在的内存泄露

现在，我们已经很好的“将线程相关的域封闭在当前线程实例中”，如果线程死亡，线程中的ThreadLocalMap实例也将被回收。

看起来一切都那么美好，但我们忽略了一个很严重的问题——如果任务对象结束而线程实例仍然存在（常见于线程池的使用中，需要复用线程实例），那么仍然会发生内存泄露。我们可以建议广大Javaer手动remove声明过的ThreadLocal变量，但这种回归C++的语法是不能被Javaer接受的；另外，要求我猿记住声明过的变量，简直比约妹子吃饭还困难。

使用WeakReference减少内存泄露

对ThreadLocal源码的分析让我第一次了解到WeakReference的作用的使用方法。

对于弱引用WeakReference，当一个对象仅仅被弱引用指向, 而没有任何其他强引用StrongReference指向的时候, 如果GC运行, 那么这个对象就会被回收。

在ThreadLocal变量的使用过程中，由于只有任务对象拥有ThreadLocal变量的强引用（考虑最简单的情况），所以任务对象被回收后，就没有强引用指向ThreadLocal变量，ThreadLocal变量也就会被回收。

之所以这里说“减少内存泄露”，是因为单纯使用WeakReference仅仅解决了问题的前半部分。

进一步减少内存泄露

尽管现在使用了弱引用，ThreadLocalMap中仍然会发生内存泄漏。原因很简单，ThreadLocal变量只是Entry中的key，所以Entry中的key虽然被回收了，Entry本身却仍然被引用。

为了解决这后半部分问题，ThreadLocalMap在它的getEntry、set、remove、rehash等方法中都会主动清除ThreadLocalMap中key为null的Entry。

这样做已经可以大大减少内存泄露的可能，但如果我们声明ThreadLocal变量后，再也没有调用过上述方法，依然会发生内存泄露。不过，现实世界中线程池的容量总是有限的，所以这部分泄露的内存并不会无限增长；另一方面，一个大量线程长期空闲的线程池（这时内存泄露情况可能比较严重），也自然没有存在的必要，而一旦使用了线程，泄露的内存就能够被回收。因此，我们通常认为这种内存泄露是可以“忍受”的。

同时应该注意到，这里将ThreadLocal对象“自然”的生命周期“收紧”了一些，从而比线程的生命周期更短。

其他内存泄露情况

还有一种较通用的内存泄露情况：使用static关键字声明变量。

使用static关键字延长了变量的生命周期，可能导致内存泄露。对于ThreadLocal变量也是如此。

更多内存泄露的分析可参见ThreadLocal 内存泄露的实例分析，这里不再展开。

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参考：

• ThreadLocal 源码剖析
• 深入分析 ThreadLocal 内存泄漏问题

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