ThreadLocal

ThreadLocal有什么用

通常情况下，我们创建的变量是可以被任何一个线程访问并修改的。如果想实现每一个线程都有自己的专属本地变量该如何解决呢？

JDK中的ThreadLocal类正是为了解决这样的问题，ThreadLocal类主要解决的就是让每个线程绑定自己的值，可以将ThreadLocal类形象的比喻为存放数据的盒子，盒子中可以存储每个线程的私有数据。

如果创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的本地副本，这也是ThreadLocal变量名的由来。他们可以使用get()和set()方法来获取默认值或将值更改为当前线程所存的副本值，从而避免了线程安全问题。

如何使用ThreadLocal

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Random;
public class ThreadLocalExample implements Runnable{
     // SimpleDateFormat 不是线程安全的，所以每个线程都要有自己独立的副本
    private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> formatter = ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyyMMdd HHmm"));

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadLocalExample obj = new ThreadLocalExample();
        for(int i=0 ; i<10; i++){
            Thread t = new Thread(obj, ""+i);
            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
            t.start();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Thread Name= "+Thread.currentThread().getName()+" default Formatter = "+formatter.get().toPattern());
        try {
            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //formatter pattern is changed here by thread, but it won't reflect to other threads
        formatter.set(new SimpleDateFormat());

        System.out.println("Thread Name= "+Thread.currentThread().getName()+" formatter = "+formatter.get().toPattern());
    }

}

输出结果：

Thread Name= 0 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 0 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 1 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 2 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 1 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 3 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 2 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 4 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 3 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 4 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 5 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 5 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 6 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 6 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 7 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 7 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 8 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 9 default Formatter = yyyyMMdd HHmm
Thread Name= 8 formatter = yy-M-d ah:mm
Thread Name= 9 formatter = yy-M-d ah:mm

从输出中可以看出，虽然Thread-0已经改变了formatter的值，但是Thread-1默认格式化值和初始化值相同，其他线程也一样。

ThreadLocal原理

从Thread类源代码入手

public class Thread implements Runnable {
    //......
    //与此线程有关的ThreadLocal值。由ThreadLocal类维护
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    //与此线程有关的InheritableThreadLocal值。由InheritableThreadLocal类维护
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
    //......
}

从上面Thread类源代码可以看出Thread类有一个threadLocals和inheritableThreadLocals变量，他们都是ThreadLocalMap类型的变量，我们可以把ThreadLocalMap理解为ThreadLocal类实现的定制化的Map。默认情况下这两个变量都是null，只有当前线程调用ThreadLocal的set或者get方法时才创建他们。
实际上调用这两个方法的时候，我们调用的是ThreadLocalMap类对应的get()、set()方法。

ThreadLocal类的set()方法

public void set(T value) {
    //获取当前请求的线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //取出 Thread 类内部的 threadLocals 变量(哈希表结构)
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        // 将需要存储的值放入到这个哈希表中
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

通过上面这些内容，我们足已通过猜测得出结论：最终的变量是放在了当前线程的ThreadLocalMap中，并不是存在ThreadLocal上，ThreadLocal可以理解为只是ThreadLocalMap的封装，传递了变量值。 ThreadLocal类中通过Thread.currentThread()获取到当前线程对象后，直接通过getMap(Thread t)可以访问到该线程的ThreadLocalMap对象。

每个Thread中都具备一个ThreadLocalMap，而ThreadLocalMap可以存储以ThreadLocal为key，Object对象为value的键值对。

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    //......
}

比如我们在同一个线程中声明了两个ThreadLocal对象的话，Thread内部都是使用仅有的那个ThreadLocalMap存放数据的，ThreadLocalMap的key就是ThreadLocal对象，value就是ThreadLocal对象调用set方法设置的值。

ThreadLocal数据结构如下所示：

ThreadLocal内存泄漏问题是怎么导致的

ThreadLocalMap中使用的key为ThreadLocal的弱引用，而value是强引用。所以，如果ThreadLocal没有被外部强引用的情况下，在垃圾回收的时候，key会被清理掉，而value不会被清理掉。

这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry。假如我们不做任何措施的话，value永远无法被GC回收，这个时候就可能会产生内存泄漏。ThreadLocalMap实现中已经考虑了这种情况，在调用set()、get()、remove()方法的时候，会清理掉key为null的记录。使用完ThreadLocal方法后，最好手动调用remove()方法。

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

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

弱引用介绍

如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可无的生活用品。弱引用和软引用的区别在于：只具有弱引用的对象有更短暂的生命周期，在垃圾回收器线程扫描他所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间是否足够，都会回收他的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。
弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。