图文详解ThreadLocal：原理、结构与内存泄漏解析

news2024/11/28 12:43:30

一.什么是ThreadLocal

二.ThreadLocal的内部结构

三.ThreadLocal带来的内存泄露问题

▐ key强引用

▐ key弱引用

总结

一.什么是ThreadLocal

在Java中，ThreadLocal 类提供了一种方式，使得每个线程可以独立地持有自己的变量副本，而不是共享变量。这可以避免线程间的同步问题，因为每个线程只能访问自己的ThreadLocal变量。通过ThreadLocal为线程添加的值只能由这个线程访问到，其他的线程无法访问，因此就避免了多线程之间的同步问题

使用ThreadLocal时，通常需要实现以下步骤：

初始化：创建ThreadLocal变量。

private static ThreadLocal<T> threadLocal = new ThreadLocal<>();

设置值：使用set(T value)方法为当前线程设置值。
```
threadLocal.set(value);
```
获取值：使用get()方法获取当前线程的值。
```
T value = threadLocal.get();
```
移除值：使用remove()方法在线程结束时清除ThreadLocal变量，以避免内存泄漏。
```
threadLocal.remove();
```

在下面这个示例中，在主线程中存储了一个整形的10，新建一个线程后去取这个值是取不到的，因为该值只属于主线程，故输出为null

public class ThreadLocalExample {
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 设置线程局部变量的值
        threadLocal.set(10);

        // 这个值在其他线程中是取不到获取的
        new Thread(() -> {
            Integer value = threadLocal.get();//null
            System.out.println("Thread value: " + value);
        }).start();
    }
}

二.ThreadLocal的内部结构

在JDK8之后每一个线程都会维护一个ThreadLoaclMap，这个Map是一个哈希散列结构，如下图所示，每一个元素（Entry）都是一个键值对，key为ThreadLocal，Value为存储的数据，也就是set()方法存储的内容。

但是在早期并不是这样的，早期的JDK中都是由ThreadLocal来维护这样的一个Map，里面的key则是Thread，就像下图这样

Thread线程数一般往往是大于ThreadLocal的，那么当线程销毁的时候对比俩个方案，JDK8的方案则可以节省更多的内存空间（只需要将对应的ThreadLocalMap删除），JDK8之前的方案由于Thread只是Map的一个节点的key，将其释放掉就会导致这块Map的空间利用率很低。

我们也可以打开ThreadLocalMap的核心源码，会发现正是JDK8方案所示的结构

以下是添加了中文注释的版本

static class ThreadLocalMap {
    /**
     * 存储的每个元素--Entry
     */
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        Object value;
        
        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
    
    /**
     * 初始容量--必须是2的整数幂
     */
    private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
    
    /**
     * 存放数据的Table，长度也必须是2的整数幂
     */
    private Entry[] table;
    
    /**
     * 数组内已使用的长度，即Entrys的个数
     */
    private int size = 0;
    
    /**
     * 进行扩容的阈值
     */
    private int threshold; // Default to 0
}

三.ThreadLocal带来的内存泄露问题

首先是内存泄漏的概念：

内存溢出：没有足够的内存供申请者使用
内存泄漏：程序中已经动态分配的内存由于某种原因未释放或无法释放，造成系统内存的浪费，导致程序运行速度减慢甚至崩溃。此外内存泄漏的堆积最终也会导致内存溢出。

下图是ThreadLocal相关的内存结构图，在栈区中有threadLocal对象和当前线程对象，分别指向堆区真正存储的类对象，这俩个指向都是强引用。在堆区中当前线程肯定是只有自己的Map的信息的，而Map中又存储着一个个的Entry节点；在Entry节点中每一个Key都是ThreadLocal的实例，同时Value又指向了真正的存储的数据位置，以上便是下图的引用关系。

那么所谓的内存泄漏，其实就是指的Entry这块内存不能正确释放

有人可能会猜测出现内存泄漏是因为Entry中使用了弱引用的key（如下所示继承关系中的WeakReference），但这种理解其实是不对的

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

强弱引用的概念：

强引用(StrongReference)：就是我们最常见的普通对象引用，只要还有强引用指向一个对象，就能表明对象还“活着”，垃圾回收器就不会回收这种对象。
弱引用(WeakReference)：垃圾回收器一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。

▐ key强引用

我们可以按照强弱引用来分别推算一下，首先是强引用的情况

当我们在业务代码中使用完ThreadLocal，在栈区指向堆区的这个指向关系就会被回收掉了，但是由于Key是强引用指向ThreadLocal，故而堆区中的ThreadLocal无法被回收，此时的Key指向ThreadLocal，另外由于当前线程还没有结束，则下面那条强引用指向关系任然存在。故为下图的关系状态