聊聊 ThreadLocal

news2024/12/27 7:56:55

简介

ThreadLocal 是 Java 提供的一种用于实现线程本地变量的机制。它允许每个线程独立地存储和访问自己的变量副本，从而避免线程之间的共享数据问题，确保线程安全。ThreadLocal 特别适用于存储与线程相关的状态信息，比如用户会话、数据库连接等。它具有如下特点：

  • 每个线程独立的副本：每个线程通过 ThreadLocal 获取的变量副本是独立的，其他线程无法访问或修改。
  • 避免竞争条件：由于每个线程持有自己的数据副本，因此可以避免多线程环境下的竞争条件和同步问题。
  • 内存管理：ThreadLocal 变量在使用完后，应该通过调用 remove() 方法进行清理，以避免内存泄漏。尤其是在使用线程池时，线程可能会被复用，导致旧的线程本地变量仍然存在。
  • ThreadLocal 类提供了一些基本的方法，最常用的方法包括：
    • set(T value)：设置当前线程的线程本地变量值。
    • get()：获取当前线程的线程本地变量值。
    • remove()：删除当前线程的线程本地变量值。
public class ThreadLocalExample {
    // 创建一个 ThreadLocal 变量
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocalValue = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

    public static void main(String[] args) {
        Runnable task = () -> {
            // 每个线程都可以独立地设置和获取 ThreadLocal 的值
            int value = threadLocalValue.get();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " initial value: " + value);
            threadLocalValue.set(value + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated value: " + threadLocalValue.get());
        };

        // 创建多个线程
        Thread thread1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(task, "Thread-2");

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 在主线程中获取 ThreadLocal 的值
        System.out.println("Main thread value: " + threadLocalValue.get());
    }
}

输出示例

Thread-1 initial value: 0
Thread-1 updated value: 1
Thread-2 initial value: 0
Thread-2 updated value: 1
Main thread value: 0

ThreadLocal 是 Java 中一个强大的工具，可以在多线程环境下方便地管理线程局部变量。合理使用 ThreadLocal 可以提高程序的安全性和可维护性，它适合用于少量的、频繁访问的状态数据，对于大型数据对象或需要长时间持有的状态，使用其他机制可能更合适。

底层数据结构

  1. 每个线程都有一个 ThreadLocalMap：
    • 在 Java 的 Thread 类中，包含一个 ThreadLocalMap 类型的成员变量 threadLocals。
    • ThreadLocal 通过这个 ThreadLocalMap 来存储和管理线程独有的变量。
// Thread 类中的定义
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
  1. ThreadLocalMap 的设计：
  • ThreadLocalMap 是 ThreadLocal 的内部静态类，类似于一个定制的 HashMap。
  • 每个键是 ThreadLocal 对象的引用，值是对应线程的本地变量值。

ThreadLocalMap 的关键结构

  1. Entry 类：
  • ThreadLocalMap 的每个键值对是一个 Entry 对象。
  • Entry 的键是弱引用的 ThreadLocal，值是对应的变量值。
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
    Object value;

    Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
        super(k);
        value = v;
    }
}
  • 弱引用的意义：
    • 当一个 ThreadLocal 对象被垃圾回收时，其对应的 Entry.key 会变为 null。
    • 但如果没有及时调用 remove() 方法，Entry.value（即线程变量的值）可能会导致内存泄漏。
  1. 存储方式：
    ThreadLocalMap 使用一个数组作为底层存储结构，与 HashMap 类似，但针对 ThreadLocal 进行了优化。
    数组的索引通过 ThreadLocal 的 hashCode 计算，使用开放地址法解决冲突。
private Entry[] table; // 用于存储键值对
  1. 扩容机制：
    • 当数组中存储的键值对过多，达到一定阈值时，会进行扩容。
    • 在扩容时，还会清理掉 Entry.key 为 null 的无效项。

ThreadLocal 的操作流程

  1. set(T value) 方法：
    • 将当前线程的变量存储到 ThreadLocalMap 中。
    • 如果 ThreadLocalMap 不存在，则初始化一个新的 ThreadLocalMap。
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value); // 存入ThreadLocalMap
    else
        createMap(t, value); // 初始化ThreadLocalMap
}
  1. get() 方法：
  • 从当前线程的 ThreadLocalMap 中获取变量值。
  • 如果 ThreadLocalMap 为 null，则返回默认值（通过 initialValue() 方法设置）。
public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            return (T)e.value;
        }
    }
    return setInitialValue(); // 如果不存在，返回默认值
}
  1. remove() 方法：
    • 删除当前线程中存储的变量，避免内存泄漏。
    • 从 ThreadLocalMap 中清除对应的 Entry。
public void remove() {
    ThreadLocalMap map = getMap(Thread.currentThread());
    if (map != null) {
        map.remove(this);
    }
}

内存泄漏问题
ThreadLocal 的内存泄漏问题主要与其 ThreadLocalMap 的设计有关：

  1. ThreadLocal 的键是弱引用：
    • 当一个线程完成任务后，如果 ThreadLocal 没有强引用指向它，ThreadLocal 会被回收。
    • 但是，ThreadLocalMap 的 Entry 中的值是强引用，不会自动清除。
  2. 解决方案：
    • 在使用完 ThreadLocal 后，调用 remove() 方法，显式清理当前线程的变量值。

InheritableThreadLocal

如果需要将父线程的值传递给子线程，可以使用 InheritableThreadLocal。
示例代码：

public class InheritableThreadLocalExample {
    private static InheritableThreadLocal<String> threadLocal = new InheritableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        threadLocal.set("Parent Thread Value");

        Thread childThread = new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocal.get());
        });

        childThread.start();
    }
}

输出：

Thread-0: Parent Thread Value

线程池中值传递问题

在 线程池中使用 InheritableThreadLocal 来传递父线程的值给子线程 存在一定的局限性，原因主要在于线程池的线程复用机制。以下是详细的分析：

InheritableThreadLocal 的特点

  1. 父子线程的值传递：
    • InheritableThreadLocal 允许子线程在创建时自动继承父线程的值。
    • 当子线程从父线程创建时，会将父线程中 InheritableThreadLocal 的值复制到子线程中。
  2. 值的传播机制：
    • 在 Thread 的构造方法中，InheritableThreadLocal 会调用其 childValue() 方法，将父线程的值传递到子线程。
    • 默认实现是直接复制父线程的值，可以通过重写 childValue() 来实现定制化。

在线程池中使用的局限性

  1. 线程池复用线程的特性：
    • 线程池中的线程是复用的，并不会每次执行任务时都创建新线程。
    • 因此，InheritableThreadLocal 的值在子线程中只会初始化一次（在线程首次创建时），后续的任务执行时不会自动更新 InheritableThreadLocal 的值。
  2. 父线程与子线程的绑定关系失效：
    • 在线程池中，任务的执行线程不固定，因此无法保证线程的 InheritableThreadLocal 值与提交任务的父线程一致。

解决方案
如果需要在线程池中实现父线程到子线程的数据传递，可以使用以下两种方法：

  1. 手动传递上下文
    手动传递上下文数据到任务中执行：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolWithManualContext {
    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        threadLocal.set("Parent Thread Value");

        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);

        threadPool.submit(() -> {
           // 手动传递上下文
//            String value = threadLocal.get();
//            System.out.println("子线程获取到的值: " + value);

            String value = "Parent Thread Value"; // 手动传递值
            System.out.println("子线程获取到的值: " + value);
        });

        threadPool.shutdown();
    }
}
  1. 使用 TransmittableThreadLocal
    阿里巴巴的开源工具类 TransmittableThreadLocal 是 InheritableThreadLocal 的增强版本，专门为了解决线程池中上下文传递的问题。
  • 核心特性：
    • 它通过在任务提交时拷贝父线程的上下文，确保在线程池中正确传递上下文。

引入依赖
如果使用 Maven，可以添加以下依赖：

<dependency>
    <groupId>com.alibaba</groupId>
    <artifactId>transmittable-thread-local</artifactId>
    <version>2.12.4</version>
</dependency>

示例代码

import com.alibaba.ttl.TransmittableThreadLocal;
import com.alibaba.ttl.threadpool.TtlExecutors;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolWithTransmittableThreadLocal {
    private static TransmittableThreadLocal<String> threadLocal = new TransmittableThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        threadLocal.set("Parent Thread Value");

        // 包装线程池
        ExecutorService threadPool = TtlExecutors.getTtlExecutorService(Executors.newFixedThreadPool(2));

        threadPool.submit(() -> {
            // 子线程正确获取父线程的值
            String value = threadLocal.get();
            System.out.println("子线程获取到的值: " + value);
        });

        threadPool.shutdown();
    }
}

输出结果

子线程获取到的值: Parent Thread Value

结论

  1. 直接使用 InheritableThreadLocal：
    • 不适用于线程池环境，因为线程池复用线程的特性会导致值的传递失效。
  2. 推荐使用 TransmittableThreadLocal：
    • 如果需要在线程池中安全且有效地传递上下文，建议使用 TransmittableThreadLocal。
  3. 手动传递上下文：
    • 对于简单场景，可以通过显式传递参数来解决上下文问题，但需要开发者管理传递逻辑。

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