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ThreadLocal是什么？

ThreadLocal是用于多线程环境下保证数据安全的一种辅助类(存储资源数据)，它最底层是基于Entry<key,value>类型的数组存储数据，中间会包一层ThreadLocalMap。其依赖顺序为：ThreadLocal->ThreadLocalMap->Entry<key,value>[]

从使用层面来看，其实就是个存储数据的类，用ThreadLocal存储的对象，对于每个线程来说都有一份独立的数据。比如说：你往ThreadLocal存入一个对象A后，每个访问ThreadLocal的线程都各自取出对象A，线程相互间修改数据后互不干扰，保证了数据安全。

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ThreadLocal如何使用？

实际使用上ThreadLocal一般都是作为类的静态常量去声明使用

private static final ThreadLocal<T> contextHolder = new ThreadLocal<>();

ThreadLocal有3个可调用的方法：get()、set()、remove() 分别对应往ThreadLocal里存对象、取对象以及删除对象。

特别注意

如果在线程池中使用ThreadLocal，在操作完后一定要调用remove()方法清除当前ThreadLocal数据，否则会引起内存泄露。 具体引起泄露原因放在下面分析！

ThreadLocal数据存储

有些人对ThreadLocal有一些简单的误区，认为ThreadLocal底层是由Map构成。这个说法不准确。上面介绍过说ThreadLocal最底层是由Entry<key,value>数组构成，这里的Entry<key,value>跟HashMap里的Entry<key,value>没有关系。

存

ThreadLocal底层存储数据直接存储在Entry数组中，大概的流程是这样：先对key（当前ThreadLocal对象）进行hash，计算出需要存储的Entry数组下标，判断对应数组下标是否有数据，如果没有则直接存储。如果有，则以当前数组下标起点往后遍历寻找数据为空的下标，找到了就存储，存储格式为：（key=当前ThreadLocal对象 、 value=要存储的值）。如果直到数组末尾还未找到为空的数组下标位置。那么就会停止。

• ThreadLocal hash冲突后往数组后面遍历寻找数据为空的下标存储
• HashMap hash冲突后，原数组下标位置生成一条链表（or 红黑树）往链表下面存储或遍历

取

先对key（当前ThreadLocal对象）进行hash，计算出被存储的数组下标位置。然后这里会有两种情况：

• 判断当前数组下标内数据的key == 用于进行hash的当前ThreadLocal对象。则直接取出当前数组下标数据的value返回
• 判断当前数组下标内数据的key != 用于进行hash的当前ThreadLocal对象。则往后遍历并判断找出数组下标内数据的key == 用于进行hash的当前ThreadLocal对象然后返回数组下标数据的value

ThreadLocal原理解析

上面的介绍说过ThreadLocal是多线程环境下保证数据安全的一种辅助类，它的实现原理其实很简单。先说结论：
ThreadLocal底层依赖Thread类下名为：threadLocals的一个变量。ThreadLocal的get、set以及remove方法都是围绕这个threadLocals 变量进行的处理。也就是说我们在操作ThreadLocal时，往ThreadLocal里存的对象实际上都会存到当前Thread线程对象下的threadLocals字段里，由于每个线程对象都有一份threadLocals变量，从而实现了线程之间的数据隔离，一定意义上保证了数据安全。

简单贴一段基于ThreadLocal的get()方法的代码验证上面说法的源码，其余的set()、remove()方法可自行阅读

  public T get() {
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //从当前线程中取出数据ThreadLocalMap
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        //这里的getMap(t);逻辑贴在下面
        if (map != null) {
            //从ThreadLocalMap中获取期望数据
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        //如果当前线程没有ThreadLocalMap（存过ThreadLocal），则初始化
        return setInitialValue();
    }

    //获取当前线程的threadLocals字段并返回
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

Thread.threadLocals

上面介绍说过ThreadLocal实现线程数据隔离就是依靠线程类的threadLocals属性。通过阅读Thread类的部分源码可知，threadLocals属性的修饰类型其实是ThreadLocal类的一个子类ThreadLocalMap

ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

原理

这里说一个因果关系再次论证上面的结论：因 ThreadLocal底层是基于ThreadLocalMap类型去存储数据（最下层是：entry<key,value>），而实际的数据会存储到当前Thread线程的threadLocals属性中。且 当前Thread线程的threadLocals属性就是ThreadLocalMap类型 所以 当前线程在对ThreadLocal进行存取删操作，实际都是在操作当前线程本身的对象属性。这就实现了线程隔离，保证了数据安全。

Thread.inheritableThreadLocals

眼尖的人可能会发现在Thread.threadLocals属性下面还有个inheritableThreadLocals的属性，它的类型也是ThreadLocal.ThreadLocalMap。那它是用来干嘛的呢？

回答这个问题之前先思考一个问题，在一般场景下ThreadLocal帮助我们隔离了线程数据，保证了数据安全，这点没问题。那如果在线程池中或者当前线程的子线程中去使用ThreadLocal，由于ThreadLocal是跟每个线程绑定且数据隔离的，那线程池或者子线程中怎么能获取到外层的ThreadLocal对象呢？例如下面这种场景：

package com.example.study.threadLocal;

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

public class TestThreadLocal {
    private static final ThreadLocal<String> contextHolder = new ThreadLocal<>();

    static {
        contextHolder.set("yxj");
    }

    public void test(){

        System.out.println("正常使用"+contextHolder.get());
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
        executorService.execute(()->{
            System.out.println("线程池中使用"+contextHolder.get());
        });

       Runnable runnable = ()->{
           System.out.println("子线程中使用"+contextHolder.get());
       };
       Thread thread = new Thread(runnable);
       thread.start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThreadLocal testThreadLocal = new TestThreadLocal();
        testThreadLocal.test();
    }

}

上面这种代码场景应该不少见，在线程池&子线程中获取外层的数据进行操作。直接输出一下结果：

为了解决上面这种情况，Java提供了一个名为InheritableThreadLocal的类，它继承了ThreadLocal。它重写了ThreadLocal的getMap方法

    //重写前（ThreadLocal）
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }
 
    //重写后（InheritableThreadLocal）
    ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
       return t.inheritableThreadLocals;
    }

由原来的获取当前线程的threadLocals属性变成了获取当前线程的inheritableThreadLocals属性。也就是说如果使用了InheritableThreadLocal类，那么当你操作ThreadLocal时，实际上是操作当前线程的inheritableThreadLocals属性。

到这里你可能有些模糊，当前线程的inheritableThreadLocals属性和threadLocals属性它们都是ThreadLocalMap类型。为什么inheritableThreadLocals能解决上面那种情况的问题呢？

别急，先看效果再说原理，先将代码中ThreadLocal的实现类由ThreadLocal改成InheritableThreadLocal，其余代码保持不变

然后执行看下效果：

结果发现使用了InheritableThreadLocal就能在线程池中获取外面线程里的存进ThreadLocal的数据。实现了线程数据传递效果。

原理

InheritableThreadLocal相比其父类ThreadLocal类。达到实现线程数据传递目的的区别在于引用的当前线程属性不同。

• InheritableThreadLocal —> Thread.inheritableThreadLocals
• ThreadLocal —> Thread.threadLocals

但是最底层的真相是Thread线程类对于上面这两个属性有不同的处理，在创建线程对象时，“主”线程会将自身的inheritableThreadLocals属性传递给即将被创建的线程对象。但是对于threadLocals属性却不会传递。因此使用InheritableThreadLocal类能实现线程数据传递，解决了上面的那种情况。下面看代码：

  private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                      long stackSize, AccessControlContext acc,
                      boolean inheritThreadLocals) {
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException("name cannot be null");
        }

        this.name = name;

        //这里的parent就是当前线程（主），被创建的线程叫子线程
        Thread parent = currentThread();
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (g == null) {
           
            if (security != null) {
                g = security.getThreadGroup();
            }
            if (g == null) {
                g = parent.getThreadGroup();
            }
        }
        g.checkAccess();      
        if (security != null) {
            if (isCCLOverridden(getClass())) {
                security.checkPermission(SUBCLASS_IMPLEMENTATION_PERMISSION);
            }
        }

        g.addUnstarted();

        this.group = g;
        this.daemon = parent.isDaemon();
        this.priority = parent.getPriority();
        if (security == null || isCCLOverridden(parent.getClass()))
            this.contextClassLoader = parent.getContextClassLoader();
        else
            this.contextClassLoader = parent.contextClassLoader;
        this.inheritedAccessControlContext =
                acc != null ? acc : AccessController.getContext();
        this.target = target;
        setPriority(priority);
        //主要逻辑点在这，进行了一次主、子线程之间的数据传递，inheritThreadLocals默认是true
        if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
            this.inheritableThreadLocals =
                ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
        this.stackSize = stackSize;
        tid = nextThreadID();
    }

主要的逻辑点就是这段代码：

现在就能回答上面一开始的问题了，Thread.inheritableThreadLocals属性是用来干嘛的？
答：用来线程之前数据传递的，传递ThreadLocal对象。

ThreadLocal内存泄漏

ThreadLocal会发生内存泄漏的场景一般都是在线程池中使用ThreadLocal不当（线程处理完任务后没有remove掉ThreadLocal数据）导致的。

内存泄漏原因

我们先整个把ThreadLocal和Thread这两个类之间的关系串一串，首先ThreadLocal底层的存储是由<当前ThreadLocal对象， value>形式存储的，那么说明当前ThreadLocal对象直接引用着当前线程内的存储在ThreadLocal里的对象

如果当前ThreadLocal所在的对象类在GC引用链中不可达了，也就是需要被GC释放掉了。那么当GC过后，当前ThreadLocal不存在了。按照一般对象来说，引用我自身的XX对象不存在了，那么我自身也在GC引用链中不可达，我也应该被GC掉。但是！以ThreadLocal被存储的value数据来说，引用它的不止有key为当前ThreadLocal的引用。还有当前线程对象的threadLocals或者inheritableThreadLocals属性，只要当前线程对象不死亡，那么ThreadLocal中被存储的value数据也不会回收。这样就导致了本来应该需要被回收的对象，却一直无法回收（如果是在线程池中使用，那么该数据将永远无法被回收，除非线程池关闭！）。

小结论：

由于ThreadLocal中存储的数据被ThreadLocal本身和当前Thread线程对象双重引用，原始情况下ThreadLocal中存放的数据要被正确回收的两种强条件：

• 当前线程死亡销毁，对ThreadLocal数据引用链 -1
• 当前ThreadLocal对象所在的内存区域被回收，对ThreadLocal数据引用链 -1

所以如果当前线程不死亡 且 当前ThreadLocal所在的对象不被回收 （两个强引用） ，那么ThreadLocal中的数据将永远无法被回收。

对内存泄漏的补救

上面我们了解了内存泄漏出现的原因。ThreadLocal对这种情况进行了补救（为了避免内存泄漏），那就是存储数据进ThreadLocal时，将ThreadLocal本身作为一个WeakReference弱引用，去引用当前ThreadLocal数据。弱引用我们都知道，随时会被GC掉。所以这里就解了一个条件：不需要ThreadLocal对象所在的内存区域被回收。只需要当前线程死亡。失去最后一个强引用。剩下的弱引用则随时会被GC掉 结构如下图所示

所以看ThreadLocal底层Entry<key,value>类的声明，会继承一个WeakReference弱引用：

用完就要删除（最终解决）

上面的ThreadLocal补救措施虽然解决了一条强引用问题，但是并没有解决核心的问题，因为线程池中的核心线程是不会死亡的，这样ThreadLocal内存的数据也不会被回收，也还是会有内存泄漏问题。

到这种地步，已经没有办法帮我们自动进行管理回收了。需要我们在使用完ThreadLocal后。调用remove()方法进行手动回收数据。

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;
            int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
            for (Entry e = tab[i];
                 e != null;
                 e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
                if (e.get() == key) {
                    e.clear();
                    //核心
                    expungeStaleEntry(i);
                    return;
                }
            }
        }

remove()方法会在对key（当前ThreadLocal对象）hash计算后清除对应的下标数组数据，以及以当前对应下标数组为起点，往前开始遍历，遍历到key为空（key是弱引用，随便一次GC就为空了，但是由于当前线程对象还持有引用，所以数据并不受影响）的数组下标，就将value设置为null。从而实现数据的删除，解决内存泄漏问题。

**此外：**除调用remove()会去检查并清空其他key为空的数组下标数据之外，get()、set()方法在hash冲突，往后遍历的情况下也会去检查其他key为空的数组下标数据并删除。删除数据的核心方法均为：expungeStaleEntry(int staleSlot)

private int expungeStaleEntry(int staleSlot){……}

小结论：
删除数据一前一后。调用remove()、get()、set()三个方法均会帮助我们删除已经无用的ThreadLocal数据。区别是：

• remove()除了删除自身key所在的下标数据，还会往前遍历其他key为空的数据并删除
• get()、set()方法不会删除自身key所在的下标数据，但是会往后遍历其他key为空的数据并删除

总结

以上就是本文对于ThreadLoca所有的总结！