一、ThreadLocal介绍

一、官方介绍

从Java官方文档中的描述：ThreadLocal类用来提供线程内部的局部变量，这种变量在多线程环境下访问（通过get和set方法访问）时，能够保证各个线程的变量相对独立于其他线程内的变量。ThreadLocal实例通常来说都是private static 类型的，用来关联线程个线程上下文。

二、ThreadLocal线程的作用

提供线程内的局部变量，不同的线程之间不会相互干扰，这种变量在线程的生命周期内起作用，减少同一个线程内多个函数或组件之间一些公共变量的复杂度。

总结：

1、线程并发：ThreadLocal一般是在多线程并发的场景下使用，不是多线程的环境下是没必要使用的。

2、传递数据：在同一个线程，不同的组件进行公共变量的传递可以使用ThreadLocal

3、线程隔离：每一个线程中的变量都是独立的，线程之间的变量互不影响。

三、常用方法

四、 ThreadLocal与Synchronized之间的区别

虽然两者都是用于处理多线程并发访问变量的问题，不过两者之间处理问题的角度和思路不同。

二、ThreadLocal的内部结构

一、ThreadLocal常见误解

ThreadLocal早期设计：每一个ThreadLocal都会创建一个map，然后用线程作为map的key，要存储的局部变量作为map的value，这样就能达到各个线程的局部变量隔离的效果。

二、 ThreadLocal当前设计

JDK后面优化了设计方案，在jdk8中ThreadLocal设计是：每个Thread维护一个ThreadLocalMap，这个map的key是ThreadLocal实例本身，value才是真正要存储的值Object。

1、每个Thread线程内部有一个Map（ThreadLocalMap）

2、每个Map中存储ThreadLocal变量（key）和线程的变量副本（value）

3、Thread内部内部的map是由ThreadLocal维护的，由ThreadLocal负责向map获取和设置线程的变量值。

4、对于不同线程，每次获取副本值时，别的线程并不能获取当前线程的副本值，形成了副本的隔离，互不干扰。

三、两者对比

三、ThreadLocal源码分析

ThreadLocal对外暴露的方法有以下几个：

一、Set方法

1、首先获取当前线程，并根据当前线程获取一个Map集合

2、如果获取的集合不为空，则将参数设置到map中，其中ThreadLocal作为key

3、如果为空，则给改线程创建一个新的map，并设置初始值。

二、get方法

/**
 返回该线程本地变量当前线程的副本中的值。
 如果变量没有当前线程的值，则首先将其初始化为调用 {@ link initialValue} 方法返回的值。
 返回该线程的当前线程值-local
 */
public T get() {
    // 获取当前线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取当前线程维护的ThreadLocalMap 
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        // 以当前ThreadLocal为key，获取对应的存储实体。this表示当前对象ThreadLocal
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
             // 这里主要是想获取当前线程，对应的ThreadLocal的值
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    /*
     初始化：有两种情况下会执行
        1、map不存在时会执行，表示当前线程没有维护ThreadLocalMap 
        2、map存在，但是没有与当前ThreadLocal关联的值
     */
    return setInitialValue();
}

三、remove方法

四、initialValue方法

五、ThreadLocalMap源码分析

一、基本结构

ThreadLocalMap是ThreadLocal的内部类，没有实现Map接口，用独立的方式实现了Map的功能，其内部的Entry也是独立实现的。

二、ThreadLocalMap中的成员变量

三、存储结构--Entry

四、内存泄漏与弱引用

（1）内存泄漏相关概念：

1、Memery overflow：内存溢出，没有足够的内存给申请者使用。

2、Memery leak：内存泄漏，程序中已动态分配的堆内存，由于某种原因程序未能释放或无法释放，造成系统内存的浪费，导致程序运行减慢或者系统崩溃等严重后果。内存泄漏的堆积终将导致内存溢出。

（2）弱引用相关概念

java中的引用有四种类型：强、软、弱、虚。

1、强引用（Strong Reference）：就是我们最常见的普通对象的应用，只要还有强应用指向一个对象，就表明对象还活着，垃圾收集器就不会回收这个对象的内存。

2、软引用（Soft Reference ）：

如果一个对象具有软引用，内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；

如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。

3、弱引用（Weak Reference ）：垃圾收集器一旦发现有弱引用的对象，不管当前内存是否足够，都会立即回收他的内存。

4、虚引用（Phantom Reference）：

虚引用和前面的软引用、弱引用不同，它并不影响对象的生命周期。在java中用java.lang.ref.PhantomReference类表示。如果一个对象与虚引用关联，则跟没有引用与之关联一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。

要注意的是，虚引用必须和引用队列关联使用，当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

之后会另起一篇记录

（3）如果key是强引用

假设ThreadLocalMap中的key使用了强引用, 那么会出现内存泄漏吗?

1、假设在业务代码中使用完ThreadLocal, ThreadLocal ref被回收了
2、但是因为threadLocalMap的Entry强引用了threadLocal, 造成ThreadLocal无法被回收
3、在没有手动删除Entry以及CurrentThread依然运行的前提下, 始终有强引用链threadRef → currentThread → entry, Entry就不会被回收( Entry中包括了ThreadLocal实例和value), 导致Entry内存泄漏

也就是说: ThreadLocalMap中的key使用了强引用, 是无法完全避免内存泄漏的

（4）如果key是弱引用

1、假设在业务代码中使用完ThreadLocal, ThreadLocal ref被回收了

2、由于threadLocalMap只持有ThreadLocal的弱引用, 没有任何强引用指向threadlocal实例, 所以threadlocal就可以顺利被gc回收, 此时Entry中的key = null

3、在没有手动删除Entry以及CurrentThread依然运行的前提下, 也存在有强引用链threadRef → currentThread → value, value就不会被回收, 而这块value永远不会被访问到了, 导致value内存泄漏

也就是说: ThreadLocalMap中的key使用了弱引用, 也有可能内存泄漏。

（5）内存泄漏的真实原因

出现内存泄漏的真实原因出改以上两种情况，
比较以上两种情况,我们就会发现:
内存泄漏的发生跟 ThreadLocalIMap 中的 key 是否使用弱引用是没有关系的。那么内存泄漏的的真正原因是什么呢？

在以上两种内存泄漏的情况中．都有两个前提：
1 、没有手动删除这个 Entry
2 ·、CurrentThread 依然运行
第一点很好理解，只要在使用完下 ThreadLocal ，调用其 remove 方法翻除对应的 Entry ，就能避免内存泄漏。
第二点，由于ThreodLocalMap 是 Thread 的一个属性，被当前线程所引所以它的生命周期跟 Thread 一样长。那么在使用完 ThreadLocal 的使用，如果当前Thread 也随之执行结束， ThreadLocalMap 自然也会被 gc 回收，从根源上避免了内存泄漏。

综上， ThreadLocal 内存泄漏的根源是：

由于ThreadLocalMap 的生命周期跟 Thread 一样长，如果没有手动删除对应 key 就会导致内存泄漏．

（6）为什么使用弱引用

无论 ThreadLocalMap 中的 key 使用哪种类型引用都无法完全避免内存泄漏，跟使用弱引用没有关系。

要避免内存泄漏有两种方式：
1 ．使用完 ThreadLocal ，调用其 remove 方法删除对应的 Entry
2 ．使用完 ThreadLocal ，当前 Thread 也随之运行结束

相对第一种方式，第二种方式显然更不好控制，特别是使用线程池的时候，线程结束是不会销毁的．

也就是说，只要记得在使用完ThreadLocal 及时的调用 remove ，无论 key 是强引用还是弱引用都不会有问题.

那么为什么 key 要用弱引用呢

事实上，在 ThreadLocalMap 中的set/getEntry 方法中，会对 key 为 null （也即是 ThreadLocal 为 null ）进行判断，如果为 null 的话，那么是会又如 value 置为 null 的．

这就意味着使用完 ThreadLocal , CurrentThread 依然运行的前提下．就算忘记调用 remove 方法，弱引用比强引用可以多一层保障：弱引用的 ThreadLocal 会被回收．对应value在下一次 ThreadLocaIMap 调用 set/get/remove 中的任一方法的时候会被清除，从而避免内存泄漏．

五、Hash冲突解决

Hash冲突的解决是Map中的一个重要内容。

1、构造方法ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue)

/**
 * firstKey：ThreadLocal实例
 * firstValue：要保存的线程本地变量
 */
ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    // 为Entry数组设置初始化值16
    table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
    // 计算索引
    int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
    // 设置值
    table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
    // 数组存储的个数
    size = 1;
    // 设置阈值
    setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
}

构造函数首先创建一个长度为16的数组，然后计算出firstKey对应的索引，然后存储到table

中，并设置size和threshould

主要分析： int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);

1、firstKey.threadLocalHashCode

private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();

private static int nextHashCode() {
    return nextHashCode.getAndAdd(HASH_INCREMENT);
}

private static AtomicInteger nextHashCode =
    new AtomicInteger()

private static final int HASH_INCREMENT = 0x61c88647;

&(INITIAL_CAPACITY - 1)

2、ThreadLocalMap中的Set方法

private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {

    // We don't use a fast path as with get() because it is at
    // least as common to use set() to create new entries as
    // it is to replace existing ones, in which case, a fast
    // path would fail more often than not.

    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    // 计算索引，相当于对数组长度取余
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);

    /**
        使用线性探测法查找元素
        Entry e = tab[i]：取出i这个位置的Entry 
        e != null：对取出的Entry 进行判空，不为空时继续循环
        e = tab[i = nextIndex(i, len)]:长度加一
    */
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        ThreadLocal<?> k = e.get();

        // ThreadLocal对应的key存在，则直接覆盖之前的值
        if (k == key) {
            e.value = value;
            return;
        }
        // key为null，但是值不为null，说明之前的ThreadLocal对象已经被回收了，当前       
        // Entry是一个陈旧元素
        if (k == null) {
                // 用新元素替换旧元素，并且进行垃圾清理，防止内存泄漏
            replaceStaleEntry(key, value, i);
            return;
        }
    }

    /**
        ThreadLocal对应的key不存在，且没有找到陈旧元素，则在空元素的位置创建一个新的             Entry
     */   
    tab[i] = new Entry(key, value);
    int sz = ++size;
     
     /**
        cleanSomeSlots用于清除e.get()==null的元素
        这种数据key关联的对象已经被回收了，如果没有
        清理任何的Entry，并且当前数量达到了负载因子所定义（长度的三分之二）
        那么进行rehash();执行一次全表的扫描清理工作
     **/   
    if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold)
        rehash();
}

// 获取环形数组的下一个索引

private static int nextIndex(int i, int len) {
    return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
}

ThreadLocal初探